抗日戰爭爆發後，韓復榘的第三路軍擴充為第三集團軍，韓復榘升任總司令兼第五戰區副司令長官，負責指揮山東對日作戰，承擔黃河防務。
1937年9月，華北形勢吃緊，蔣介石命令韓復榘撥兩師兵力歸馮玉祥指揮，韓復榘置若罔聞。當時馮玉祥是第六戰區司令長官，負責津浦線北段對日作戰。10月，日軍攻陷滄州，逼近山東，馮玉祥再次請求增援，蔣介石也電催韓復榘出兵，韓只得派出曹福林的第二十九師和展書堂的第八十一師增援，但態度始終是消極的。直至德州失守，韓復榘的兩個師才開始反擊。展書堂部自禹城一路北進，先後收復德州、桑園，直指滄州、馬廠。此時已是11月，就在展書堂部連打勝仗之時，韓復榘突然下令撤軍，令全師將士大為困惑。但軍令如山，不得不撤。
一向把地盤看得重如生命的韓復榘，本應懂得唇亡齒寒的道理，值此關鍵時刻撤軍，必然事出有因。原來，為了防止日軍渡河，韓復榘早在9月向第五戰區司令長官李宗仁要求，調30門重炮至黃河南岸，以便固守。李宗仁一口應允，將駐徐州的史文桂炮兵旅調到山東泰安。但蔣介石聞報後，對一旅炮兵調到山東聽韓復榘指揮，心中不滿，於11月初，下令調走了該重炮旅。
聽說重炮旅開拔，韓復榘氣得破口大罵：「蔣中正這哪裡是抗日，明明是藉機消滅異己！」相對於地盤來說，保存實力更為重要，於是下令將支援馮玉祥的兩師兵力撤回。
韓復榘撤軍後，日軍很快反撲南犯，不久便逼近黃河北岸，濟南危在旦夕。在全體官兵強烈要求出戰的情況下，韓復榘於11月13日親自出馬，渡過黃河，與馮玉祥一起到前線督戰。馮玉祥率韓軍曹福林師與展書堂師在禹城阻擊正面，韓復榘率手槍旅與李師從濟陽阻敵左翼。
韓復榘到濟陽後，立刻為日軍所偵知，日軍從臨邑、商河派輕裝甲車別動隊襲擊濟陽，將韓復榘所率不到百人圍困在濟陽城關一個村鎮，由裝甲車數輛配合飛機數架，將該村鎮團團圍住。韓復榘經隨從拼死相救，才騎摩托車衝出重圍，逃回濟南。
此次黃河北的抗戰，其他戰場戰鬥也十分激烈，日軍出動幾十架飛機輪番轟炸，韓軍雖殲敵甚眾，但也損失慘重。撤回濟南後，韓復榘認為此次失敗在於武力懸殊太大，沒有大炮根本無法對付日軍的裝甲車與飛機，失敗勢在必然。
日軍很快進逼到黃河北岸，占據鵲山，向濟南開炮。又調來遠程炮彈，直接越過城區轟炸千佛山。韓復榘為躲避日軍炮彈，此時已遷到千佛山寺院居住，其家眷已撤往豫西，同時令各機關及老幼婦孺撤出濟南。
但日軍並沒有馬上過河進攻濟南，而是隔河與韓軍對峙，每天除了打打炮，便是派飛機丟下幾顆炸彈，或者空投通訊筒，如此風平浪靜一個多月。對於日軍來說，兵臨城下而不攻城，是對韓復榘存有幻想，企圖逼其就範，與日本合作。而韓復榘卻在做著棄城逃跑的準備。
日本南路軍在12月13日攻陷南京後，見等了一個多月不見韓復榘有投降之意，於12月20日開始進攻濟南。21日，日軍千餘人從濟陽門台子偷渡黃河，駐守在此的第二十二師奮力抵抗，同時由師長谷良民向韓復榘報告：「日軍有千餘人於昨夜偷偷渡河，我部正與日軍激烈交戰。」韓復榘回覆說：「日軍過了黃河，沒有大炮如何擋得住，既然擋不住就不要無謂犧牲了，你們撤去周村吧。」
日軍渡過黃河，占領周村、博山後，沿膠濟線直逼濟南。洛口北岸的日軍也向濟南開炮，濟南西面也受到日軍炮擊。韓復榘向第五戰區司令長官李宗仁請求增援，被拒絕後，便決定放棄濟南，他對蔣介石駐濟總參議蔣伯誠說：
「現在濟南三面受敵，我軍沒有重炮，難以固守，我決定撤退，等候中央增援，再行反攻。」
「先請示蔣委員長再決定吧。」蔣伯誠勸道。
「我已下令各軍向泰安撤退，你不走我先走了。」
韓復榘在撤出濟南之前，以「焦土抗戰」為名，縱兵在濟南各大銀行、洋行、工廠、倉庫大肆燒殺掠搶，並炸毀濟南電燈公司、章丘及博山礦區，將省政府及各廳處、高等法院、兵工廠等建築物付之一炬。
韓復榘撤退到泰安後，收到蔣介石發來的十萬火急電報，命令他不得放棄濟南，韓復榘嘀咕說：「我都到泰安了，還提什麼濟南？」
李宗仁得知他已退到泰安，即電令固守泰安，即使最後泰安不守，也要節節抵抗，撤守兗州。總之務必控制津浦線，以防禦守備徐州之北大門。
但韓復榘非但不守泰安，而且跨過兗州直接去了濟寧。當火車停在濟寧站時，蔣伯誠方從夢中醒來，急問：「不是讓我們最後撤守兗州嗎？」韓復榘說：「都到濟寧了，還提什麼兗州？」
由於韓軍撤向津浦線側翼，津浦線上泰安、兗州等地未留主力駐防，徐州北大門洞開。李宗仁當即發電責問韓復榘因何不守泰安，韓復榘回電說：「南京不守，何以守泰安？」令李宗仁氣憤至極。
隨後韓復榘又從濟寧退至巨野、曹縣。他原準備退到豫西南及鄂北、陝南一帶的山區，避開日軍鋒芒，割據地盤，保存實力。但河南駐有第一戰區的部隊，退路受阻，只好暫駐巨野、曹縣，伺機而動。
韓復榘不服從命令，不戰而逃，受到軍法制裁已是理所當然，而促使蔣介石對他痛下殺手的還有另外一個原因，那便是他與四川省政府主席劉湘的密謀倒蔣。
劉湘與蔣介石素有矛盾，曾多次密謀倒蔣。日軍攻占南京後，蔣介石及國民政府遷駐武漢，並準備進入四川。劉湘不願讓蔣介石及國民政府進入他的地盤，遂生倒蔣之意。韓復榘與劉湘素有聯繫，認為蔣介石入川正是倒蔣的好機會，兩人一拍即合，不僅頻繁以電報聯繫，還派心腹互訪。
但韓復榘沒有想到，此事會被蔣介石探知。此時，劉湘正在漢口住院，韓復榘派代表去醫院與劉湘商議倒蔣方案。由於韓復榘還拉攏了第一集團軍總司令宋哲元，所以計劃由劉湘封住蔣介石入川之路；韓復榘開赴南陽、襄樊、漢中一帶，宋哲元退至潼關以西，兩軍從背後包圍蔣介石，與劉湘對蔣介石形成夾擊之勢，再向全國通電聯合倒蔣。
不幸的是，蔣介石對劉湘早有防備，劉湘住進漢口醫院時，便令軍統特務頭子戴笠暗中監視劉湘。戴笠同劉湘的副軍長、與劉湘素有矛盾的范紹增悄悄在劉湘病房隔壁的房間住下，監視劉湘的一舉一動，韓復榘代表來訪自然沒有逃過他們的監視。
為了得到韓復榘、劉湘的密謀內容，戴笠截獲兩人往來電報，令人破譯電報密碼，獲得電報全部內容，報告給蔣介石。與此同時，宋哲元也不願冒險倒蔣，與韓復榘表面周旋，暗地裡卻將此消息報告蔣介石，蔣介石為此下決心殺掉韓復榘。但誘捕韓復榘，蔣介石頗費了一番心思。
1938年1月7日，李宗仁按蔣介石指示，在徐州召開第五戰區軍事會議，電召韓復榘到會。但韓復榘因近期與李宗仁多有摩擦，不想前往，便派代表何思源前去。李宗仁見韓復榘沒到會，十分失望，會後叮囑何恩源：「回去告訴你們主席，過幾日蔣委員長召開會議，他必須親赴！」
蔣介石遂定於11日在開封召開「北方抗日將領會議」。8日，蔣介石親自給韓復榘打電話，親切地說：「我決定召集華北各部隊團長以上軍官在開封開個會，向方兄，你可一定要到，我們好好研究研究下一步怎麼打日本人，帶上你的副軍長、參謀長。一定要到啊！」
韓復榘接完電話便與部下商議，部下都勸他不要去，認為蔣介石居心叵測，他剛剛抗旨不遵，蔣介石不會善罷甘休。只有蔣伯誠主張韓復榘親自赴會，因為此前他接到蔣介石密令，讓他務必勸說韓復榘親自參加會議。
韓復榘也認為值此全面抗戰之際，蔣介石也不至於把他怎麼樣，他對部下說：「就算違抗命令，濟南沒守，又如何？最多撤職，還能殺了我不成？再說南京不也一樣，失守的多了，那些責任誰負？」
恰巧那天夜裡韓復榘做了一個夢，夢見騎著一匹白馬飛快地向西奔馳。當天就接到蔣介石令他赴開封開會的電話。韓復榘身邊有一個隱藏的南京特務「青天鑒」，常為韓復榘占卜釋夢。韓復榘在如此關鍵時刻得了這樣一個夢，即請青天鑒解夢。青天鑒乘機說：「主席夢見騎馬向西飛，說明西方有好運在等著您。開封就在西邊，主席應快馬加鞭去開封，此去定會洪福齊天。」
韓復榘對青天鑒的話深信不疑，但他想的「洪福齊天」不僅僅是開封之行，更多的是不久他的隊伍將西下，與劉湘共同倒蔣，到那時他的夢想將成為現實。於是，韓復榘毅然決定，赴開封開會，並信心十足地對左右親信說：「不入虎穴，焉得虎子。」豈不知此一去並非洪福齊天，而是命歸西天！
1月9日，韓復榘偕第十二軍軍長孫桐萱、參謀長劉書香、處長張國選，旅、團長數十人和一個營的衛隊，抵達開封。
由於事先通知，為避免日本飛機干擾，會議定於夜晚召開。1月11日下午6時許，韓復榘與孫桐萱等人坐汽車赴河南省政府參加會議。汽車抵達省政府時，即見大門口電燈旁，赫然貼有一張通知，上面寫著：「參加會議的將領請在此下車」，並有軍警憲兵指揮停放車輛。
韓復榘的汽車停好後，一行人下車，與其他參會將領一起往裡走。走至第二道門口時，只見左邊屋門上貼著幾個大字：「隨員接待處」。跟隨韓復榘的三個衛士和孫桐萱的一個衛士只好留在此處。
韓復榘和孫桐萱繼續向前走，一路上和同時參加會議的將領們說說笑笑，又來到「副官處」，這裡貼著一張通知：「奉委座諭：今晚高級軍事會議，為慎重起見，所有到會將領，不可攜帶武器進入會議廳，應將隨身自衛武器，暫交副官處保管……」當時所有與會將領紛紛留下手槍，韓復榘也沒多想，即交上隨身攜帶的兩隻手槍，接過收據後進入會議廳。
韓復榘剛坐定，第一戰區第二集團軍總司令劉峙便在他身邊坐下，兩人相視一笑，算是打過招呼。會議7點鐘開始，會場內約有數百人，蔣介石親自主持會議，一上來就說：
「我們抗日是全國一致的，這個責任重大，是我們每一個將領義不容辭的。可是，竟有一個高級將領放棄山東黃河天險的陣地，違抗命令，不戰而退，連失數大城市，使日寇順利進入山東，影響巨大。我問韓主席，這是不是你的責任？」
「濟南不守我負責，南京、上海不守誰負責？」韓復榘並不懼怕蔣介石，當即頂撞道。
「那自有人負責，不用你管！」蔣介石拍著桌子說，臉色變得鐵青。
韓復榘還想反駁幾句，身邊的劉峙拍了拍他的手，示意他不要再頂撞蔣委員長，韓復榘這才停住。散會後，韓復榘朝門外走去，劉峙跑過來攔住韓復榘說：「向方兄，委員長發火的時候，你就少說兩句嘛，有什麼不滿私下裡說開就好，何必當面頂撞呢。委員長也覺得適才說得過分了，讓你留一下。」
韓復榘此時仍不懷疑有他，點點頭答應了。在劉峙的帶領下，韓復榘從會議廳側門走出，院子裡停著一輛小汽車，劉峙熱情地拉開車門邊說：「這是我的車，上去吧。」韓復榘上車後，劉峙卻沒上車，而是說：「我就不去了，他們會帶你見蔣委員長的。」話音未落，就把車門關上了。
這時，韓復榘突然意識到不對勁，但為時已晚，車子立時開動，前面副駕駛座上的人舉著槍爬到後面，坐到韓復榘身邊，小聲對韓復榘說：「你被捕了。」這時，韓復榘透過車窗向外望去，沿途竟布滿憲兵崗哨。
汽車抵達火車站後，兩名特務一左一右將韓復榘押上火車，車廂內也儘是憲兵和特務，韓復榘已是插翅難飛。列車中間不停，連夜直奔漢口，漢口下車後，又至碼頭渡江到武昌，最後，韓復榘被押進武昌市平閱路33號內院一座二層小樓上，這座小樓曾是軍統大本營。
蔣介石抓捕韓復榘後，為防止其部下生變，當天夜裡便召見孫桐萱，對他宣布韓復榘的罪狀，孫桐萱磨破嘴皮請求蔣介石對韓寬大處理，起碼留他一條性命，蔣介石表示「考慮考慮」，隨即拿出幾張字條交給孫桐萱，對他說：「你當第三集團軍副總司令，曹福林當津浦路前敵總司令，于學忠任第三集團軍總司令，你聽于學忠的。你馬上回曹縣整頓隊伍，繼續抗戰。」隨後，蔣介石又召見韓復榘的其他重要部下，一一對他們進行安撫。
韓復榘被抓後，孫桐萱四處托人說情，均無濟於事。孫也曾求救於李宗仁、白崇禧。但兩人都說韓復榘違犯軍紀，不好去說情。後來孫桐萱又派張鉞攜6萬元巨款去漢口活動，多方托人營救韓復榘，最終未能奏效。韓復榘的妻子高藝珍也曾求見馮玉祥，希望韓復榘的這位老上司能幫韓復榘說句話，但馮玉祥拒絕接見。
韓復榘被抓捕後，1月19日，蔣介石組織了高等軍事法庭，由軍政部長何應欽任審判長，第一戰區副司令長官鹿鍾麟、武漢行營主任何成浚為審判官，另有軍法官二名，於1月22日下午對韓復榘進行審訊。除審問「不遵命令，擅自撤退」外，還問了「勒派煙土」、「搜繳民槍」等問題，但不過寥寥數語，然後草草收庭。
1月24日晚7時左右，兩名特務來到韓復榘被關押的房間，對韓復榘說：「何部長請你去談話，請跟我們走。」韓復榘信以為真，趕緊跟隨特務下樓。在樓梯拐彎處，他透過窗子向外望去，忽然看見院子裡站滿荷槍實彈軍警，方知大難臨頭，當即說：「我的鞋子不太合適，回去換一雙。」
然而，韓復榘剛一轉身，後面即響起槍聲，韓復榘在槍聲中倒地，頭部中兩槍，身中五槍，當場斃命，享年48歲。
韓復榘死後，《中央日報》刊登韓復榘五大罪狀，並聲稱對其審問多次才判處極刑。
1月25日早晨6時，韓復榘屍體入殮，暫厝於武昌長春觀。不久，韓復榘的大姨太紀甘青與其親信張鉞等人前往武昌，將韓復榘安葬在湖北與河南交界的雞公山公墓。墓前立有石碑，上刻「韓復榘之墓」五個大字。