1937年全面抗战爆发后，梁一桐任第52军25师73旅145团团长，率部参加淞沪会战。在宝山阻击战中，他带领全团官兵与日军展开巷战，死守阵地三昼夜，歼敌千余人，自身伤亡过半，战后因功升任旅长。1938年徐州会战期间，他率部在台儿庄外围执行穿插任务，成功切断日军后勤补给线，为会战胜利奠定基础，获颁青天白日勋章。
1940年，梁一桐调任第74军58师副师长，参与长沙会战。在第三次长沙会战中，他指挥部队在捞刀河一带设伏，以“梯次防御、夜间突袭”战术击溃日军第6师团主力，创下单日歼敌3000余人的战绩。1942年，他升任第74军51师师长，率部参加浙赣会战，在衢州保卫战中身先士卒，头部被弹片击伤仍坚持指挥，直至击退日军进攻。
1943年10月，梁一桐在常德会战中负责守卫德山阵地。面对日军三个师团的轮番进攻，他率部与敌血战七昼夜，终因寡不敌众，于10月26日在突围过程中壮烈牺牲，时年36岁。国民政府追授其陆军中将衔，新中国成立后追认为革命烈士。
梁一桐戎马一生，先后参加重大战役20余次，累计歼敌万余人，其“忠勇果敢、智勇双全”的作战风格被战友称为“梁老虎”。他在《致妻书》中写道：“身为军人，当以马革裹尸还，若抗战胜利，愿归田躬耕；若国破，则以血肉筑长城。”这句话至今仍被镌刻在沧州烈士陵园的纪念碑上。