民国二十七年（1938年）秋，日军兵分三路对武汉实施大合围，中路军以陆海空军配合，沿着长江进犯，日军战舰布满武汉下游江面；左路军在长江北岸登陆，沿着湖北麻城、黄陂进逼京汉铁路南段，形成对武汉左翼的大包围；右路军在长江南岸登陆，经阳新、大冶，直逼粤汉路的北段咸宁、贺胜桥一带实施右翼迂回。日军三路军相互联动，企图一举攻下武汉。

在右路军方面，日军想要攻下咸宁、贺胜桥，必须经过阳新的三溪口。三溪口位于阳新县，该地峰峦叠嶂，漫岗起伏，多杂木林，荆棘丛生，形成了一个宽阔的山谷。在山谷中有条乡镇土路，可通汽车，与山间溪流，交相盘错，东西来往奔驰于山谷之中。

三溪口成为了日军进军之要冲，我军阻敌前进之锁钥，因此成为了敌我必争之要地。为阻击日军，防守三溪口，第九战区命令东北军第53军（军长周福成）第130师前去坚守三溪口，相机歼敌。师长朱鸿勋接到命令后，连夜率领130师赶赴三溪口布防。此时，刘殿武是师部参谋处参谋。

第130师的官兵，大多是燕赵之士，生于北方，成长在华北平原，甫至江南，由于气温突变，水土不服。全师官兵有三分之一患上了疟疾，当时药品奇缺，众人完全是出于血勇之气强硬坚持，奋力迎战日军。

9月中旬，日军波田支队（台湾旅团）1.4万余人大举向三溪口阵地进犯。日军波田支队是一支海陆空军混合部队，其陆战队号称日军中的精锐。大战打响后，日军以飞机、坦克和大炮掩护步兵进攻，攻势凌厉。坚守在第一线的士兵以简陋工事隐蔽，等日军轰炸过后，步兵冲上阵地时再以手榴弹和白刃战与日军相拼。激战一上午，日军的三次进攻被杀退，阵地前丢下日军尸体百余具。

日军不分昼夜地轰炸，大炮炸得三溪口山上的土石乱飞，树木摧折。全师官兵死守阵地，虽然打退了日军的进攻，但由于日军炮火封锁，弹药和粮食被切断，众人只得饿着肚子打仗。

战斗至黄昏，士兵们饿得实在不行，就挖阵地附近的生薯和芋头充饥，口渴了就喝阵地后的一个沟塘里的水。沟塘位于阵地后方，日军的大炮掀起的尘土会掉入沟中。刘殿武亲眼目睹，一个士兵曾去沟塘河水，日军炮弹正好落在附近，这名士兵当场牺牲，鲜血染红了沟塘。众人将他的遗体从沟塘捞出后，迫不得已又继续喝沟塘里的水。

由于喝了沟塘里的水，不少士兵又患了疟疾。当时的医疗救护几乎形同虚设，在激战中受伤的士兵，能行动的只能自己爬到阵地后方去求救，轻伤的士兵都是相互搀扶去找野战诊疗所，而大部分重伤的士兵，负伤后往往刚离开阵地几步就死了。

虽然也准备了担架，但由于数量少、伤亡重，简直是杯水车薪，无济于事。结果激战一天下来，全师尸横山谷，伤亡惨重，战斗力急剧下降。但即使如此，全师还是坚持了两个昼夜，直到第三天才向后撤退5里地继续阻击敌人。

为了有效打击敌人，尽量拖住日军。朱师长和刘殿武采取了灵活策略，全师隐蔽不动，待日军步兵进攻后用大刀围歼步兵，让日军不敢贸然进入山地。日军不敢大规模前进，只得逐步搜索，这样一来进展必将迟缓。另外，又将各团建制打散，分成奇袭小组，潜伏于山麓两侧的密林之内，不断鸣枪，引诱敌人，日军一旦发现就改变位置，日军只闻枪声，不见其人，被我军迷惑。

战斗到第4天时，敌我双方态势已经犬牙交错，惨烈的白刃战时有上演。为诱惑日军，不得不步步后退，依托地形继续阻击。当时日军所仰仗的就是大炮，日军射击时，炮弹在空中飞行，带有一种嘶嘶声，这时候可以照常行军，但听到炮弹声音改变时就要马上卧倒，因为炮弹可能就会落在附近。军中老兵常言：“老兵不怕炮，就怕机枪叫”就是这个道理，炮弹可以提前判断落点，但机枪就不同，随时就可能一阵扫射过来。日军被引入三溪口深山后，由于山地地形狭窄，日军机动兵力无法大规模行进，只得分成小组开进。

全师官兵此时已经伤亡过半，只得靠夜袭、打冷枪和诱惑日军进入山谷围歼等办法阻击敌人，在一处山谷狭窄之处，一队日军闯入峡谷遭到了300多名官兵围攻，一时间枪弹和石头如雨点般落下，当场打死了日军100余人，残敌拼死突出谷外，仅有少数逃脱。

日军在山中吃了大亏后，再也不敢贸然进山，只得用大炮昼夜轰炸，此时130师的官兵们已经掌握了日军炮击的规律，巧妙躲避日军轰炸，日军的行动大大被迟缓。

坚守到第7天时，友军一个混合旅前来接防。第130师终于完成坚守任务，退出了三溪口阵地。全师退出阵地时，仅剩下了三分之一兵力，最后仅能挑出一个团还能战斗，大部士兵因为疟疾和没有救护牺牲在了阵地上。

三溪口之战，东北军一个师阻击日军精锐7昼夜，全师1万余人，仅有3000来人存活，毙伤日军1000多人，挡住日军7昼夜，严重阻滞了日军三路大军汇合的步伐，为后方友军作战争取了时间，减轻了压力。