１９３４年１０月中央红军主力长征后，董振堂率红５军团担任后卫。在湘江战役中，他率部在蒋家岭、永安关、雷口关等地，浴血奋战数昼夜，终于阻住了十几倍于己的追敌，掩护党中央和中央红军主力安全渡过湘江。红５军团为此付出重大代价，由１万余人锐减到不足５０００人。所属红３４师，被阻止在湘江以东，与围攻之敌进行了英勇战斗，终因寡不敌众，弹尽粮绝，大部壮烈牺牲。１９３５年５月上旬，他指挥红５军团在金沙江南岸与追击之敌激战数昼夜，为党中央和中央红军主力渡过金沙江赢得了宝贵时间。渡过金沙江后，中央红军终于摆脱了数十万国民党军的围追堵截，取得了战略转移中具有决定意义的胜利。由于多次胜利完成阻击国民党军的任务，为保障党中央和中央红军主力北上立下赫赫战功，董振堂所率红５军团荣膺“铁流后卫”的光荣称号。

１９３５年６月中央红军和红四方面军会师后，红５军团改称红５军，董振堂任军长。率部参加了绥（靖）崇（化）丹（巴）懋（功）和天（全）芦（山）名（山）雅（安）邛（崃）大（邑）等战役。１９３６年１０月所部编入西路军，渡黄河西征，指挥所部参加攻占山丹、临泽、高台等县城的战斗。１２月，任中央革命军事委员会委员。１９３７年１月１２日，西北军阀马步芳、马步青指挥５个旅的兵力围攻高台。董振堂指挥红５军坚守阵地，浴血苦战９昼夜，给进攻之敌以重大杀伤，终因弹尽粮绝，于２０日和全军３０００多名将士一起壮烈牺牲，时年４２岁。