1942年2月，日军纠集重兵，向我太行、太岳抗日根据地疯狂进攻，进行第二次所谓“驻晋日军总进攻”。此时范子侠已任太行军区六分区司令员，兼新10旅旅长。2月10日，他决定率部队出征，有同志建议他另派人去。他轻轻一笑说：“我是不能死在床上的，我要死在战场上。要么是被敌人打死，要么是被汉奸打死。”当晚，10旅攻下营井敌据点。
翌日上午，日军向册井、魏家庄、柴关一带进攻。10旅阻击敌军，激战一天一夜。12日下午，日军增援部队骑兵大队冲来，范子侠指挥部队沉着应战，他告诉战士们朝敌骑马腿和马肚子射击，将敌骑打退。突然一颗子弹打中他左肩下的大动脉，血流不止，包扎也止不住。战士们把他抬进柴关村，大家焦急地围拢过来，询问司令员的伤情，范子侠吃力地睁开眼，微笑地看着战士们说：“不要为我难过，得了这次教训，我们应该好好整顿地方武装。我们的地方武装，还太差啊！”他感到身上有些冷，战士们赶紧去找干柴。可是，当大家抱着干柴回来时，范子侠已经永远闭上了眼睛，时年34岁。
范子侠牺牲后，八路军总部、129师、晋冀鲁豫边区政府及各地群众先后举行了追悼大会。刘伯承、邓小平撰文称赞他是“模范的布尔什维克、最忠实于中华民族解放事业的战士”。