5月7日早晨，日军飞机又一次对蒙城县城进行轰炸，1033团也在赶紧修筑工事。下午3时许，怀远后撤的部队已顺利通过蒙城，与此同时日军的搜索骑兵也在涡河北岸出现，这是一支铁甲骑兵中队，一百五十人左右，他们的目的是插到桂七军前面进行拦截，不料突遭麦田里等候多时的1033团搜索队攻击。顿时大乱，慌乱中的日军铁甲骑兵既不能下马战斗，也不能在马上厮杀，这些桂军士兵都是趴在地上进行拦截的，日军军刀砍不到。不一会儿就有几十名日军骑兵栽下马来，剩下的慌乱离去，搜索队也不追赶，迅速渡河回到南岸协助守城。

蒙城东门各村、南门外阵地，这时也受到日军骑兵、步兵及炮火的猛烈攻击。日军还施放滞空气球观察，以为凭借着优势兵力和精良装备，很快便可消灭面前的中国军队。可1033团将士们凭靠藏身洞、簸箕坑、乌龟坑等灵活多变的战法，打退了日军一次又一次的进攻，消灭了一股又一股的敌人。天色渐暗，疲惫不堪的日军不得不停止进攻，打算后撤休息明天再来。就在日军掉转头的时候，1033团的攻击开始了，日军怎么也没有想到，中国军队还有这样的反击，顿时大乱，仓皇退出几里地后才稳住阵脚。

入夜，不甘失败的日军又来偷袭，守军官兵顽强抵抗，枪炮声响了一个夜晚。毕竟日军人数占优，他们从涡河上游小涧集偷渡成功，由西向东压过来，日军每攻占一个小据点，都要付出沉重代价。

8日上午9时，日军再次施放滞空气球为炮兵指示攻击目标。一阵炮轰后，飞机又来轰炸，整个蒙城一片火光。10时左右，日军从城东与城南外两个方向开始攻城，他们把步兵炮架到前沿阵地，重机枪也摆上，小心翼翼，全无前一天的张狂与傲慢。1033团全体将士同仇敌忾，顽强防守，一营、三营神出鬼没，打得日军晕头转向，在两次攻击后日军无奈退去，日军联队长只好向师团部请示增援。

下午1时左右，日军得到坦克增援后，故技重演，施放滞空气球，施以大炮轰击，加之坦克助战，天上四架飞机来回轰炸蒙城守军阵地。顿时，城内四处起火，城外一片烟雾，这回日军像打足气的轮胎，张狂地想把守军一口吃掉。城东村庄树木被炸得七零八落。守卫的三营将士在日军狂轰滥炸中死伤惨重，许多士兵被埋在战壕里，但还是把日军一次又一次赶出阵地，毅然坚持到了黄昏。看到东城外情况不利再战，周元副师长便下令三营东城外所有阵地一律放弃撤回城内。

8日下午，日军又增加了两千精锐力量，把蒙城县城围得铁桶一般。周元副师长与师部电报联系，把这两天战况向师部汇报，并询问增援解救部队何时才能到达蒙城。贺维珍师长回电：176师两个团正向蒙城靠拢，并指示务必坚持到援军到达。

当获悉主力师团的联队，连日来有飞机、大炮轰炸，又有坦克掩护，还增兵两千，却迟迟拿不下一个小小的蒙城县，日军总部大为恼火。 急于攻城的日军，9日凌晨便开始新一天的攻击，大炮轰击，坦克攻击，飞机助战。而守军全团炮弹数量不足一百发，却要与数十倍军力的日军作战，战斗的惨烈可想而知，守军意志的坚定可想而知。

10时许，东、南、西三个城门被日军炸开，日军以坦克和战车开道，掩护步兵冲进城来。此时，1033团战斗力量不到四百人，周元副师长将有限的兵力分为三组，奋勇阻击日军的进攻。周元将军身先士卒，将士们一个个奋不顾身，与敌人展开了惨烈的巷战，把强大的日军搞得不知所措。

下午1时许，随着多辆日军战车涌入县城，县城被分割成几块，战况激烈非一般人能够想象。副团长和两位营长先后殉国，士兵更是伤亡殆尽，为了减少无谓牺牲，周元将军同意了凌云上团长的建议，组织队伍，立即突围。

突围的第一道关口是东城门，此时城墙已被日军占据，不断地用机枪向我扫射，突围队伍只好凭借着城门拐角与敌军周旋，凭借着敢死队员的英勇献身打通道路。城门外第一个村庄李竹竿园，早有两个日军小分队把守，远远地就能看到村头架着轻、重机枪。

突围队伍只好散开，利用茂密的麦子掩护，悄悄靠近小村庄，突然集中火力，随即占领了小村庄。本来就不足百人的突围队伍，经过城门和李竹竿园的两场战斗，此时还剩下不到一半。突围队伍且战且退，向城东南飞机场撤退，就在飞机场东北角与日军激战时，周元副师长不幸中弹，壮烈牺牲。

保卫蒙城，阻击日寇，血战三昼夜，歼敌千余人。虽然蒙城系一小县城，我抗日将士在此伤亡两千余人，而且最终还是蒙城沦陷，但其意义非常重大。因为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。

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第四天，中共中央机关报《新华日报》即发表《悼周元副师长》的短评。

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。1985年5月13日，中华人民共和国民政部正式追认周元将军为革命烈士。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。