贵转而支持黄埔一期毕业生李仙洲，并因战功升任122团上校团长。七七事变后，全面抗战爆发，21师奉命驰援南口，刘芳贵所部于8月15日赶赴南口即参加战斗，日军以飞机大炮作掩护进行阵地抢夺战，刘芳贵在指挥冲锋战斗时被日军击穿胸部受重伤，因伤及要害，后于山西大同不治身亡。刘芳贵牺牲后，葬于山西省榆次，1953年由家人移葬河北老家。