12 июня Марков выступил к железнодорожной ветке Царицын – Торговая и, выставив заслон для защиты со стороны Тихорецкой, вышел на Торговую. У хутора Попова (конный завод), лежащего вплотную к станции Шаблиевка, дивизия встретила сильное сопротивление красных. Бой сильно затянулся, но все же к полудню, сломив сопротивление противника, Добровольцы стали занимать хутор. Его взятие решило и участь Шаблиевки, от которой начался отход красных. Марков распорядился занять станцию и выслать к 9 часам вечера команду подрывников для порчи железнодорожного пути в сторону Великокняжеской. Сам же он перешел на открытое место вместе с полковниками Р. М. Тунебергом и Н. С. Тимановским и начальником пулеметной команды Э. Ф. Кариусом и устроил для себя наблюдательный пункт на железнодорожных шпалах, сложенных в штабель высотой в рост человека. Артиллерия красных тут же открыла огонь по появившейся группе офицеров. Едва успев распорядиться об уходе из сферы огня, Марков был сброшен на землю новым взрывом гранаты… Тяжело раненого в голову и левое плечо, его отнесли в дом. Доктор, увидев Сергея Леонидовича, ужаснулся: «Положение безнадежно».
Сергей Леонидович тяжело дышал. Спустя два часа он ненадолго пришел в сознание и спросил о боевой обстановке. Командир Кубанского стрелкового полка поднес к лицу генерала икону, которую всегда возил его ординарец. Марков поцеловал икону и сказал отрывисто: «Умираю за вас… как вы за меня… Благословляю вас…» Дальше уже ничего нельзя было разобрать. Через несколько минут его не стало.
А в это время Кубанские стрелки ворвались на станцию и отбросили красных за реку. Железнодорожный мост остался неповрежденным. Дивизия под командованием Маркова выполнила задачу, но какой тяжелой ценой!
«Сердце упало… Уныния не было, не было и отчаяния: была какая-то пустота. Отомстить, отомстить! Ко многим счетам прибавился еще один – огромный. Не такой смерти заслуживал генерал Марков», – рассказывал один из Марковцев. Наутро дивизия провожала своего героя-командира. Командир полка сказал глубоко прочувственное слово, многие рыдали.
В 5 часов 13 июня тело Сергея Леонидовича было перенесено в украшенный зеленью вагон на вокзале, и поезд с почетным караулом от 1-го отделения Инженерной роты отошел на станцию Торговую, где тогда находился Штаб Командующего Армией. Здесь генерал Деникин попрощался со своим верным соратником. Его приказом 1-й Офицерский полк стал именоваться «1-м Офицерским генерала Маркова полком».
В Новочеркасске в церкви епархиального училища была отслужена панихида по Маркову. В почетном карауле стояли его соратники. «Не помню уже, как долго я стоял над гробом, – записал один из них. – Мыслей не было, а я не мог оторвать взор от лица того, кого больше всех других уважал и более всех других боялся. И положив земной поклон великому воину и еще раз взглянув на того, который ничего не боялся, я поплелся домой. Если бы все генералы были такие, как он, – думал я».
Отпевали Сергея Леонидовича 15 июня в Свято-Вознесенском кафедральном соборе. На кладбище помимо семьи, генерала Алексеева и Офицерского полка присутствовала половина жителей Новочеркасска. Все поголовно плакали во время речи Алексеева, который подчеркнул верность Маркова России и его жертвенность Христианина-воина. Генерал Алексеев от имени Армии поклонился матери и жене Сергея Леонидовича и бросил первую лопату земли в могилу.
Смерть Маркова была трагедией не только для Добровольческой Армии, но и для его родных. Мать, жена и дети Маркова оказались в Новочеркасске еще до его приезда из Быхова, и здесь же им пришлось похоронить его. Последнее, что известно о судьбе родных Сергея Леонидовича, – их отъезд заграницу весной 1920 года из Новороссийска.
Смерть сразила Маркова, по словам генерала Деникина, тогда, «когда Добровольческая армия вышла из окружения на широкую дорогу, когда так нужны были люди таланта, воли и доблести; поразила человека, предназначенного, казалось, самой судьбой для командования Добровольческой армией в составе развернувшихся впоследствии Вооруженных сил юга России. Той армии, которая шла к Харькову и Орлу». Деникин был потрясен смертью соратника и друга и вспоминал впоследствии:
Имя Сергея Леонидовича Маркова безупречно и славно. Офицер, Доброволец, Военный вождь, он любил Родину и честно и мужественно служил ей.