8日晨，日军各种炮火向城南外阵地猛轰，敌机来回俯冲扫射、轰炸，全城内外火海一片。9时，日军后续部队2000余人到达，蒙城陷入重围。10时左右，敌大队步兵疯狂向东、南两地阵地进攻，均被击退。至下午1时，我东南角城墙被毁数丈，周元即命凌团长和少校营附李如春率两个连迅速阻击登城之敌，毙敌10余名，缴获步枪60余枝、重机枪1挺、轻机枪4挺，李如春和4名排长壮烈牺牲。入夜，我城外阵地全部沦入敌手，形势严峻，周元立即向集团军总司令廖磊发出急电，表示决心与城共存亡。
　　当晚11时，师长贺维珍回电：解围部队已在出发途中，务须固守待援。周元乃派团附赵晃冲出城去联系，方知增援的一七六师的1个团被敌拦阻。周元便向守城将士慷慨地说：“现在是我们为国献身的时候了，人在城在，誓与蒙城共存亡!”将士们也异口同声地回答：“打倒日本鬼子!保卫蒙城，誓与蒙城共存亡!”
　　9日拂晓，敌炮空联合，坦克开道，轮番攻城。至中午，敌于东南面施放烟幕，掩护攻城，我守城官兵奋力抵抗，敌尸狼藉，护城河水一片褐色。敌又以战车3辆，上载工兵，企图炸毁东门及工事，待到达东门时，周元和城楼上官兵，猛投手榴弹，全歼敌工兵，敌战车后撤。接着，敌又以火炮猛轰城楼，守军全部阵亡，东门失守。我守军展开巷战，逐屋争夺，二营长蓝权英勇牺牲。继之，南门、西门失守。战至下午4时，城内我官兵不足200人，周元乃命凌团长和参谋梁家驹率大部出北门，沿河边街向东突围。突围时，一营长李国文等中弹身亡。
　　周元在阻击东城墙之敌，掩护部队突围时，不幸中弹，以身殉国，时年44岁。城中百余伤病员，遭日军俘虏。凶恶的日寇竟用铁丝穿透他们的手心，拖到百子庙后，集体枪杀。
　　中国共产党对于周元将军为国家、为民族英勇献身的爱国精神给予高度评价。在周元将军壮烈殉国后仅4天即1938年5月13日，中共中央机关报《新华日报》即发表《悼周元副师长》的短评。另外，武汉的《大公报》也作了连续报道。其中记者陆诒在《津浦南段视察记》中写道：“守蒙城的我军，战至本月9日晚上，卒以寡不敌众，而沦陷。我副师长周元中将殉职，团长凌云上，英勇作战，迄今生死不明。”
　　保卫蒙城，阻击日寇，血战3昼夜，歼敌千余人。虽然蒙城系一小镇，我抗日将士在此伤亡2000余人，而且最终还是蒙城沦陷，但其意义非常重大。因为在周元将军血战蒙城之前不久的3月份，李宗仁将军指挥部队沉重地打击了津浦路南犯之日军精锐板垣、矶谷两师团，取得了台儿庄会战的巨大胜利。4月下旬至5月初，日军先后调集30余万精锐军队分六路向徐州进行大包围，企图一举消灭我五战区60万大军于徐州地区。为了避免在不利的条件下与敌决战，李宗仁作出了有计划的撤退，实行战略转移的部署。血战蒙城迟滞了日军对徐州的包围，为李宗仁主力部队转移赢得了时间。正如蒋介石在当时的日记中所言：徐州会战中，我军实现了战略上的撤退，达到了预期之结果，即胜利也。的确，中国军队在徐州虽未打胜仗，但从长远来看，仍然是胜利了，因为中国军队以劣势装备与日军精锐部队周施5个多月，主力安全退出包围圈，做到了以空间换取时间，打乱了日军的作战部署，将日军拖入内地消磨。对此，周元将军功不可没也。
　　周元将军殉国后，蒙城人民饱含泪水，把将士的尸骨收集起来，在东门外庄子祠东侧筑起高大的陵墓，墓前竖有“周副师长殉国记”的纪念碑。同时，还把城关镇命名为“周元镇”，把乐育小学命名为“周元小学”。在周将军的第二故乡广西桂林，也立有“陆军中将第一七三师副师长周元抗日阵亡纪念塔”，上刻有李宗仁将军亲笔题词“成仁成义”和周将军抗日功勋及殉国事迹。蒙城人民为了纪念这位杰出的抗日英雄，曾流传歌谣一首：
　　广西省，明江县，
　　有个将军叫周元。
　　带大兵，守蒙城，
　　不顾自己死与生。
　　抗击日寇威名大，
　　杀日鬼子血流红。
　　中华儿女豪气壮，
　　学习将军爱国情。
　　1985年5月13日，中华人民共和国民政部正式追认周将军为革命烈士。1988年周公牺牲半个世纪之际，蒙城召开了隆重的纪念大会，缅怀这位抗日名将。