不久，他又将长子、长女、三女都送到延安抗大学习，表现了他忠于民族解放事业，誓死抗日救国的爱国精神。

    范筑先曾派人到武汉，与中共中央在武汉的领导人取得联系，希望派人到鲁西北工作。中央很快派原红军师长袁仲贤等军事干部到鲁西北。范筑先高兴地说：“现在武有袁仲贤，文有张郁光，写文章有齐燕铭，再像八路军那样在部队里做政治工作，发动民众，我们定能坚持鲁西北抗战。”中共山东省委书记黎玉和八路军派往山东的同志，由延安去鲁南，途经聊城时，向范筑先交了毛泽东给他的亲笔信，信中对范筑先与共产党真诚合作，坚持敌后抗战给予高度的评价和赞扬。范看信后，紧握黎玉的双手，连声说：“你们这些人，都是人格极高尚的人。感谢共产党的关怀，感谢毛先生的关怀。”这年10月，他亲自主持召开了鲁西北军政联席会议，通过了《鲁西北抗战行动纲领》、《战时经济政策》和《整军方案》等文件，作为鲁西北地区的施政准则。会议还决定将30多个支队整编为4个纵队，范筑先兼任第四纵队司令。

    1938年10月下旬，日军占领武汉后，即对华北敌后根据地进行“扫荡”。调集大批部队，在飞机、装甲车等现代化武器的配合下，自济南经东阿进攻鲁西北根据地的首府——聊城。范筑先立即召开军事会议，部署战斗任务，准备运用包围战术，歼灭敌人。但由于国民党顽固派的干扰和破坏，使这一计划落空了。

    1938年11月4日，日军将范筑先部600余包围在聊城。范筑先率部应战，打退日军多次进攻。15日，日军在得到大批增援部队后，强行攻城。范筑先站在东城门楼亲自督战，双方血战多时，范筑先左臂负伤裹伤再战，又被敌机枪打断左腿。在敌众我寡情况下，城门被日军攻破。范筑先以民族大义为重，不愿被敌人俘虏，举起手枪自戕殉国，时年58岁。

    1938年11月20日，中国共产党在延安为范筑先举行了追悼大会。1953年清明节时，聊城党政军民举行隆重的移灵仪式，将范筑先及其次子范树民的遗骸移葬于邯郸市晋冀鲁豫烈士陵园。