1937年11月8日，日军进攻太原。
太原守城战痛失左臂
1937年10月，忻口会战开始。娘子关失守，太原告急，傅部奉命向太原集结。傅部主力不过两个旅，虽训练有素，有一定经验，但几个月来南北转战，伤亡过半，仓促中扩充的部分新兵又缺乏训练。1937年11月6日，日军第五师团进攻太原城郊，驻防城外的军队纷纷溃退，倚城野战计划完全落空，傅部陷于独守孤城之境。7日，晋北和晋东日军会合，在数十架飞机和数百门大炮及坦克掩护下，连续攻城。周卓然接到命令率部配合友军增援主力部队。通过两昼夜血战，击溃日军，傅作义率部突围，撤至石楼一带。太原守城之战，掩护了卫立煌、孙连仲、王靖国等部安全转移。
周卓然在这次战斗中不幸被日军炸弹的弹片击中左臂，从马上摔下，左臂粉碎性骨折被锯掉，他再一次离开部队到后方疗养。
1938年春，周卓然伤愈，回到钟祥探亲，那是他最后一次与家人团聚，4天后就回到了战场。临走前他曾对妻子留言：“我四海为家，现在国难当头，作为军人我要保家卫国，不能在家照顾你们母女了。”他还将一块从左臂中取出的弹片和一床带血的军毯交给妻子，要她好好收藏，说：“这些都是日军侵华的罪证，你一定要保存好。”他离开家乡时，特意将不满15岁的小弟周科带上抗日前线。
牺牲在山西埋葬于陕西
1938年春，日军侵占山西后，为了固华北、抑洛阳、窥西安，曾13次围攻中条山，均未得逞。1938年秋，侵华日军从华北、华东入侵华中地区，抗日形势陡然吃紧。周卓然带伤重返前线，一路上，语重心长地告诫小弟周科，“国家兴亡，匹夫有责。侵华日军是我们中华民族最大的敌人，我们中华儿女如果不积极参与抗战，不仅国家要灭亡，伟大的中华民族也面临着灭亡，只有抗战一条路才能挽救整个国家和中华民族的危亡。”
这回周卓然奉命率领骑兵第六军第七师西进增援中条山，牵制日军兵力。
潼关战役激战正酣，1938年8月28日，当周卓然奉命率领骑兵师奔赴潼关，行至黄河岸边的山西芮城风陵渡镇时与日军遭遇。
日军在飞机和大炮的掩护下，向周卓然坚守的阵地发起猛攻。战斗打得十分残酷，突然一发炮弹落在前线指挥战斗的周卓然身边爆炸。当时周卓然浑身鲜血直流，牺牲前一刻他仍指挥战斗，对身边战士留下最后遗言：“给我狠狠地打，消灭这帮小日本鬼子。”这位浴血奋战的抗日将领，牺牲在抗日战斗的最前线，年仅34岁。
周科在抗日部队和政府帮助下，将兄长周卓然的遗体埋葬在离风陵渡不远的陕西省华阴县。周卓然牺牲在山西，下葬于陕西。将军忠魂，最后留在了黄河两岸。1991年，周卓然被中华人民共和国民政部追认为革命烈士。
贯穿整个抗战史，装备训练较差的中国骑兵表现出以死报国的大无畏气概，挥戈向前，誓不瓦全，以血为墨，书写了一幕幕泣天动地的英雄志，大概与热播剧《亮剑》中的某些桥段颇为相似。反观日寇骑兵，虽骑炮联合，却多是外强中干。日军骑兵部队在侵华战场未见突出“战绩”，侵略我国东北之初，骑兵古贺联队即被我锦西抗日民团歼灭，一时成为笑谈。
