1937年1月，董振堂率红五军一举攻占了甘肃高台县城。但被敌军马步芳等部约2万余人包围了高台，经过9天9夜的激战，至20日高台终于失陷，董振堂和3000多名红军将士全部壮烈殉难，时年42岁。死后敌人将其首级被割下悬挂在城墙上。
董振堂的首级照片
1937年1月，红5军坚守高台城，同数10倍于己的马家军展开激战。城陷后，红5军近3000将士牺牲，军长董振堂首级被马家军割下，送至武威河西医院保存。后来，董振堂首级下落不明。近年来，围绕董振堂首级遗落地，多名西路军史研究者撰文解密：一说在武威西门“教场东墙下”（今西郊公园假山附近），一说在西宁，还有人说在南京。但都没有充足的理由。
董振堂牺牲后，敌人残忍地将他的头颅割下来，挂在高台县城东城楼上示众。
1937年1月21日《青海日报》的一则消息报道，马炳臣在给马步芳的电报中称：“伪军长董振堂确被我军斩毙，首级已获得，公认无误……”
