在饱受争议的东北军这支队伍里，刘桂五是个异类。
他不是讲武堂出身的正统军官，而是热河朝阳的绿林草莽，靠一手好枪法和一身不要命的狠劲从底层杀出来的。张学良后来在回忆录里专门提过他的枪法：漆黑的夜里，只要敌人枪口一闪，他就能在瞬间撂倒对方。
这种从血里滚出来的军人，身上没有半点官僚气，有的是一股子关东汉子特有的狠劲和血性。也正是这股血性，让他在西安事变时敢第一个冲进华清池把蒋介石"请"出来，又在全面抗战爆发后主动请缨北上，最终把命丢在了绥远的大青山下，连头颅都被日军割去，至今下落不明。

刘桂五1902年出生在热河省凌南县八家子村，也就是今天的辽宁朝阳。年轻时闯荡江湖，练得一身好武艺，枪法尤其出众。1924年看到西北军宋哲元的征兵告示，他拜别父母从军，几经辗转加入东北军骑六师。师长白凤翔看中他的胆识和武艺，一路提拔。到1931年九一八事变时，他已经是营长，威名传遍东北军。
事变后东北军奉命不抵抗撤入关内，刘桂五和无数东北军将士一样，憋着一肚子火。1936年，他参加了张学良、杨虎城在王曲镇举办的"长安军官训练团"，加入东北军秘密组织"抗日同志会"。
同年12月，张学良决定兵谏，12月8日把刘桂五召到公馆西楼，亲自试探他的忠心和胆略后，面授捉蒋机宜。12月12日凌晨，刘桂五与白凤翔、孙铭九等人率部突袭临潼华清池。
西安事变和平解决后，刘桂五升任骑兵第六师师长。1937年七七事变爆发，他立即请缨抗战，率骑六师加入马占山的东北挺进军，开赴绥远前线。出征前，他给兄弟刘桂中写信说："弟此次出发抗日不成功则成仁，成功则到老家相见，成仁则到九泉相见，望兄安心理家勿以弟为念。"
在绥远前线，刘桂五率部与日军浴血苦战八个月，屡挫敌锋。绥远地广人稀，他把骑兵快速机动的优势发挥到极致，日军骑兵和伪军骑兵团都不是他的对手。日军为了对付他，专门组建了大编制的摩托化部队，配备装甲车编队和空军协同作战。1938年3月，刘桂五率部攻占萨拉齐火车站，活捉伪蒙康王，切断平绥铁路，日军大为震惊。
1938年4月，战局急转直下。4月15日，马占山率部迫近日军巢穴张北，日军调集四个师团迎击。双方激战五昼夜，马部给敌人以重创，但自身也弹粮将尽，遂退入武川，以待整军再战。4月20日夜，连日作战的挺进军转战到武川一带，人乏马困，当晚夜宿于固阳县红油杆子村。
马占山当时重病在身，刘桂五率部在村子东边王天良家休整，马占山带一队人马驻守在村西李万红家附近。他们还在村子四周部署了岗哨，但万万没想到的是，村里出了汉奸，趁着战士们疲乏熟睡之际偷跑到日军营地告密。日军迅速派出坂仓混合旅团千余人，配以400多步兵、30多辆汽车装甲车，悄悄包围了红油杆子村。
4月22日拂晓，天上有20多架敌机投弹，地上60余辆装甲车合围出击，整个红油杆子村瞬间变成一片火海。马占山听到枪炮声，不顾重病，攀上屋顶指挥部队奋力突围。刘桂五率部断后，奋力阻击。激战至中午，刘桂五腿部负伤，部下劝他退下，他斥道："受伤即退，何以胜敌？速去冲锋，勿复多言。"裹伤再战，终因众寡悬殊，骑六师几乎全军覆没。
激战至下午5时，刘桂五终于掩护马占山只身徒步突围，这才率余部与妻子乘马向外冲去。这时日军一发炮弹打来，将刘桂五连人带马炸成重伤。左右士兵急忙赶来救他，刘桂五自知伤势严重，唯恐连累他人，厉声喝道："赶快突围，不要管我！"说完，对着自己的头部开了一枪，壮烈殉国，时年36岁。
突围出去的马占山听说刘桂五战死，不顾危险返回后队，抚尸大哭。因战况紧急，只能命令部下暂时将遗体仓促掩埋在河岸附近的乱石中。23日早上战斗彻底结束后，红油杆子村的村民自发将刘桂五和其他战死将士的遗体埋葬在村西。
然而4月24日清早，日军去而复返，逼迫老乡们挖出烈士遗体，用水冲掉面部的泥沙，拿着刘桂五的照片一个个比对，最终确认了他的尸体。
日军欣喜若狂，残忍地割下刘桂五的首级，拍照留念，准备带回日本邀功请赏。正当敌人准备拖走刘桂五的尸体时，挺进军战士掩护刘桂五的夫人刘淑贞，单骑闯入敌阵，镫里藏身奔到遗体旁，突然俯身把丈夫抢上马身，在战火与血泊中夺回了那具无头的遗体。当地村民为表达对将军的敬意，自发拆下自家门板，为刘桂五做了一副薄棺。
刘桂五牺牲的消息传开后，举国震惊。
遗体辗转运回西安，因头颅已被日军割去，入殓时只能用香木做了一个假头与遗体合葬。

据刘桂五的女儿刘清芳后来在采访中回忆："抗战结束后，我一个朋友从日本回来，告诉我看见我父亲的头在日本的战利品展览馆，被泡在一个装着福尔马林的玻璃瓶子里展览。"
1946年，国际军事法庭审判日本战犯时，中国政府曾郑重向日本政府提出归还刘桂五将军头颅的要求，但日本政府心虚抵赖，暗中转移证据，拒绝承认。有日本老兵后来晒出过与将军头颅的合照，照片上明明白白写着"（支）那战死将领首级"。
这颗头颅究竟被转移到了哪里，至今无人知晓。