1935年9月，刘志丹任红15军团副军团长兼参谋长，参与指挥劳山战役。后任北路军总指挥兼第28军军长、中共中央所在地瓦窑堡警备司令。他经常教育部队顾全大局，绝对服从中共中央的领导和调遣。在他的影响下，陕北红军与中央红军团结一致，共同对敌。周恩来说：“刘志丹同志对党忠贞不贰，很谦虚，最守纪律，他是一个真正具有共产主义品质的党员。”
1936年3月，刘志丹率红28军参加东征战役，挺进晋西北，迭克敌军。4月14日在中阳县三交镇战斗中亲临前线侦察敌情，不幸左胸中弹，壮烈牺牲，年仅33岁。为纪念他，中共中央和陕甘宁边区政府决定将保安县改名为志丹县。

1940年，中共中央指示西北局和陕甘宁边区政府在刘志丹家乡修建烈士陵园。1942年，刘志丹牺牲6周年时，毛泽东同志为他题词：“我到陕北只和刘志丹同志见过一面，就知道他是一个很好的共产党员。他的英勇牺牲，出于意外，但他的忠心耿耿为党为国的精神永远留在党与人民中间，不会磨灭的。”1943年，党中央和陕甘宁边区人民在志丹县为刘志丹举行隆重的公葬典礼，毛泽东再次为他题词：“群众领袖、民族英雄”。周恩来题词：“上下五千年，英雄万万千，人民的英雄，要数刘志丹”。
2017年3月，位于延安市志丹县的刘志丹烈士陵园被命名为全国爱国主义教育示范基地。每年清明节和烈士纪念日，都会有大批党员干部、群众和学生前来缅怀先烈，重温历史。