正面迎敌的是国民革命军第三军第十二师，师长寸性奇闻讯后说：“好得很，本人十二分欢迎。”战役期间，寸性奇指挥第十二师的官兵顽强抵抗，打退了敌人一次次的疯狂进攻。双方多次展开白刃肉搏，日军尸横遍野，我方亦死伤惨重。在激战多日后，双方战线犬牙交错，混战成一团，第十二师处于内线作战，孤立无援。5月11日，寸性奇奉命率部突围，出征前，他勉励部下：“枪在手，剑在腰，不令为贼服也。济则为国争光，不济以死继之。”

当日夜晚，寸性奇率部几经冲杀，跳出了日军的包围圈，但他的腿也在突围过程中被日军炮弹炸伤。突围后，寸性奇听闻十二军军长唐淮源突围受阻，情势万分危急。为救唐淮源，寸性奇率部再次杀回包围圈，所部连遭日军拦截，官兵疲劳饥饿交困，伤亡过半。激战中寸性奇身上多处中弹，另一条腿也被炸断。此时，唐淮源也已壮烈殉国，为不连累部下，寸性奇命令副师长率大部官兵先行突围，自己率一部断后。

在完成断后任务后，寸性奇率第十二师残部再次踏上突围之路，此时的他已经全身多处受伤，行至悬山之北一个叫毛家沟的地方时，身边只剩数十人，难以阻止日军冲击。寸性奇对部下言道：“我腿已断，毋以我累。”随后拔出短剑自刎，壮烈殉国，时年46岁。

寸性奇将军殉国后，社会各界纷纷进行各种祭奠活动。他的云南腾冲老乡、国民党元老李根源亲书挽联，悼念寸性奇将军和同时牺牲的云南籍将领唐淮源：“百战捐躯寸与唐，中条山色暗无光，伤心最是黄河水，日夜奔腾吊国殇。”

1986年5月10日，中华人民共和国民政部追认寸性奇为烈士并颁发“革命烈士证书”。1989年10月，寸性奇遗骨在中条山毛家沟被找到，并安葬于腾冲国殇墓园。2014年9月1日，寸性奇被列入民政部公布的第一批300名著名抗日英烈和英雄群体名录。