继任九军参谋长的李聚奎，是参加过平江起义的老同志，因主持过古浪失利原因的调查，担心在陈海松手下很难工作。陈海松却不计前嫌，明确地对他说：“张国焘是错误的，党中央和毛主席是正确的。张国焘有野心，四方面军受了他的害！”

    12月底，西路军撤离了永昌、山丹地区，西进到甘州以西的临泽、高台一带。时值严冬，部队忍受着衣不暖身、食不果腹、水难解渴的艰苦，端着缺少子弹的钢枪，与7万多敌人进行了一场惨烈的白刃战。五军在高台拼杀殆尽，西路军集中在临泽东南的倪家营子与敌苦战之后，部队突围至西洞堡，击退尾追的敌骑兵旅，全歼一个宪兵团。陈昌浩又命令陈海松率九军两个团和妇女独立团，逼近甘州南关，掩护全军东返。陈海松把部队带到指定地带，连夜抢修工事。他以必死的决心安排了干部接替指挥的事宜，他对机要参谋李明说：“要是我牺牲，你就代替我指挥，要是都能打到最后，我负伤了，你就先打死我，再自杀，决不能让敌人抓活的！”

    西路军回到倪家营子后，又陷入敌人的重围。苦战7天，突围至西北方向的三道流沟，又被包围，经过了5天苦战后，只剩下3000余人的西路军，被迫改向东南方向的梨园口突围。

    梨园口在临泽的南边，是河西走廊与祁连山交接线上的一个山口，山口南侧是梨园河谷，向西通往祁连山腹地。梨园堡则位于山口南侧的梨园河边。

    1937年3月12日，太阳初升。三十军和西路军总部已进入梨园堡一带宿营。担任后卫的九军也到达了梨园口，陈海松到达后，立即命令部队上山警戒。几乎与此同时，马家军也追了上来。陈海松当即命令部队抢占附近的寺汪山和山口两侧的山梁。

    不一会，另一路敌军从梨园河口直逼梨园堡，三十军一部在尚未解冻的梨园河上顽强地阻击着敌人，总部和三十军大部立即向祁连山深处仓促撤退。

    此时的九军已不足千人。除军部交通队还有些子弹外，战斗部队大多数已弹尽粮绝。交通队跟随陈海松的一个警卫排，也只剩下了十几个人。

    为了保存革命力量，陈海松命令军部保卫局局长陈宜贵赶快组织机关的同志撤退，自己留下来掩护。

    陈宜贵明白，这个时候留下来，就很难活着出去，所以他要求将自己留下，陈海松脸色一变，厉声喝道：“叫你撤你就撤，不要婆婆妈妈的！”

    这是陈海松第一次对陈宜贵发火，陈宜贵感到，此时一别，恐怕再也见不到军政委了，泪水禁不住流了下来。陈海松一见，赶紧说：“好啦，赶快走吧，再晚谁也出不去了。机关的同志战斗力弱，留下来无益，能出去一个算一个，总比都留下来死强”。

    前沿部队消灭了几批冲出沟口的敌人，但他们仅有的一些子弹也打完了。敌人便狂叫着：“共军没有子弹了，冲呀！”从各沟口冲了出来。陈海松大吼一声，命令警卫排跟随自己向前冲去。

    陈昌浩带着孙玉清在西边的一个土包上见此情况，急忙喊道：“不能冲，太危险”。并派出两个警卫员去追陈海松，却没有追上。

    警卫排冲上去后，用清一色的快慢机盒子枪向敌人猛扫，敌人丢下一片尸体，溃退了下去，陈海松和警卫排坚守在阵地上，迫使敌人不敢冲锋。

    上午10时许，陈海松急于观察战场情况，乘敌机枪间歇之机，向土包顶爬去，被李明一把拉住，陈海松火了，向李明吼道：“干什么！”李明说：“上不得。”李明一松手，陈海松又迅速向上爬，爬到包顶，他刚一抬身，敌人的机枪一齐向他扫射，他身中八弹，倒在了血泊之中。

    李明把他拖下来后，交通队程指导员抱着他急切地呼喊着，他苏醒过来后，要求程指导员赶快补他一枪，程指导员哭着说：“政委，你……不要说了。我们人在阵地在，要死就和你死在一起！”

    当孙玉清率三十军一部前来救援被围的九军时，九军只有少数人员得以突围西去。陈海松和二十五师政委杨朝礼、军政治部宣传部部长黄思彦以及绝大部分战士一起英勇牺牲。

    同年，在延安宝塔山下，毛泽东和许多中央领导人都亲自参加了为董振堂、陈海松烈士举行了追悼会。

    后来，朱德还多次对一些老同志说：“陈海松是四方面军里最年轻有为的军级指挥员，可惜牺牲得太早了。如果他现在还活着，一定能发挥更大的作用。”