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。

其实，自打入朝后李湘的身体状况就一直不大好。但作为一军之长，他心里装的是4万多将士，对自己则很少顾及。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。

1980年4月，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。

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。

李湘军长牺牲后，过了很长时间我才知道，领导说：“军长是被美帝细菌弹感染，导致败血症牺牲的，对外要保密，不能长了敌人的威风，灭了自己的志气”。