不幸中弹殉国，年仅三十六岁。突围的马占山听说刘桂五战死，不顾危险返回后队，抚尸大哭（马与刘是东北军时代的老友，袍泽情深）。因为战况紧急，只能着部下暂时将其遗体仓促掩埋在河岸附近的乱石中。不久后返回，准备运回遗体，遗体的头颅已被日军割去运回东京，泡在福尔马林溶液的玻璃瓶里做战利品在日本展示。中国政府追赠刘桂五为陆军中将。一年后马占山率部再出大青山，为刘桂五重建陵墓，穿石为忠烈祠，并立“抗日阵亡将士纪念塔”以作纪念。
后续.刘桂五牺牲后，为夺取无头遗体，双方展开激烈的白刃战。刘