1944年4月，日军发动中原战役，大举向河南腹地进攻，国民党四十万大军节节败退。彭雪枫奉命率四师一部冒雨西征，同日、伪、顽、匪转战于肖（县）、宿（县）、永（城）、夏（邑）之间。8月15日，彭雪枫率领四师主力进军路西，首战肖县小朱庄，消灭了顽苏北挺进军第四十纵队，打通了我军西进的道路。　　

　　四师西进取得了节节胜利，引起顽固派的惊恐，他们趁四师西进立足未稳，调集优势兵力，于9月中旬向四师所在地发起进攻。彭雪枫率领西进的四师主力，在三师、一师一部及八路军冀鲁豫军区部队的有利配合下，胜利地进行了反顽战斗。与此同时，彭雪枫根据人民群众的要求，决定歼灭盘踞夏邑八里庄的土顽李光明部队。9月10日，他向部队进行战斗动员，号召全体指战员来一个杀敌比赛。11日凌晨2时，彭雪枫亲自指挥四师主力向敌人发起进攻，经过激烈战斗，李光明和他的副司令李良玉、警卫营长、一营长等都被活捉。驻太平集的伪军300余人前来增援，遭我军坚决阻击，不得前进，取得了八里庄歼灭战的辉煌胜利。此役俘获李光明以下千余人，毙伤200余，缴获机枪11挺，长枪千余支，弹药2万余发。太平集据点的伪军随即仓惶撤退。但是，当彭雪枫登上城墙，指挥这场即将胜利结束的战斗时，不幸为流弹所中，英勇殉国，年仅37岁。　　

　　彭雪枫牺牲的噩耗传出以后，全党全军无限悲痛，豫皖苏边区人民尤为哀伤。　　

　　陈毅含泪写了《哭彭雪枫同志》：“雄气压陇海，英风断淮河。荣哀何有尽，万众泪滂沱。” 1945年2月7日，中共中央在延安举行了追悼大会，毛泽东、朱德、刘少奇、彭德怀　　

　　等中央领导和延安各界代表沉痛悼念彭雪枫。中共中央的挽词为：“为民族，为群众，二十年奋斗出生入死，功垂祖国；打日本，打汉奸，千百万同胞自由平等，泽被长淮。”　　

　　张爱萍谱写《彭雪枫同志挽歌》，概括了彭雪枫战斗一生的英雄业绩，表达了军队、人民继承烈士遗志，为全中国的彻底解放而斗争的坚强意志：　　

　　二十年来，为了人民，为了党，　　

　　你留下的功绩辉煌：　　

　　首战长沙城，八角亭光荣负伤；　　

　　乐安事变，荣获红星章。　　

　　雪山草地，百炼成钢。　　

　　在豫东，燃起抗日烽火；　　

　　在淮北，粉碎敌寇“扫荡”。　　

　　对党忠贞，为民赴汤；　　

　　英勇善战，机智顽强。　　

　　是我们的榜样。　　

　　雪枫同志，你把最后一滴血，　　

　　献给了人民献给了党。　　

　　多年同患难，长别在战场。　　

　　我们一定为你报仇，完成你的事业，　　

　　争取全中国的解放！　　

　　江苏省洪泽县和安徽省宿县为彭雪枫修建了陵墓和纪念馆。1984年5月，为纪念彭雪枫，河南省镇平县在县城北修建了“彭雪枫纪念馆”。