1952年春，志愿军总部命令67军在剑布里东线构筑新的防御工事，准备迎击美伪军发动的“春季攻势”。在美军发动攻势前夕，李湘病倒了。李湘这次病倒，正值美伪军发动的“春季攻势”战役已经打响，敌人投入的兵员、武器弹药远远超过1951年“秋季攻势”的规模，而且大规模使用了化学武器。李湘一面组织部署群众防疫，一面率干部深入前沿侦察地形，制订构筑工事的工程计划，日夜操劳，抱病工作，直累得身心俱疲。不久，他发起了高烧。
时任志愿军67军副军长兼199师师长、离休前为第二炮兵司令员的李水清回忆说：1952年7月初，美军在199师阵地前沿投放了十几个空壳弹，部队觉得很奇怪。他跟李湘军长通电话谈到此事，李军长便立即赶了过去。他们两个把阵地前的炸弹里里外外翻了个遍，也没看出啥名堂。两个人就坐在炸弹上讨论起对此事的处理意见，开始不想上报，担心情况不明、小题大做。最后还是认为这些炸弹可能隐含着重要的未知信息，最终决定如实报告志愿军总部。
李水清还回忆说，当时李湘脸上长了个小疖子，已经挤破了，回到军部第二天脸就肿了，没过几天就去世了。消息传来，李水清十分震惊，怎么也不敢相信这是事实。他说，几十年过去了，李湘军长坐在炸弹上和他讨论问题的神情依然历历在目。李军长被细菌感染，病情迅速恶化，脸部也肿得非常厉害，但他仍以惊人的毅力，坚持指挥作战。很快，他的病情转化为败血症和脑膜炎，虽经医生百般医治，终抢救无效，于1952年7月8日13时与世长辞。李湘从发病到去世，前后只有7天时间。
李湘牺牲时正值暑期，遗体暂埋在军部附近的青山下。1952年12月10日，李湘的灵柩由朝鲜运回祖国，12月11日举行了隆重的迎灵仪式和公祭大会，随后被安葬于石家庄华北军区烈士陵园。
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