1937年7月28日，日軍對北平、天津發動瘋狂的進攻。
拂曉時分，日軍在飛機和裝甲車配合下，直撲南苑。中國29軍副軍長佟麟閣指揮部隊，一部分主動出擊，在外圍與敵交鋒，一部分憑戰壕固守，全軍上下抱定與防地共存亡的決心，從淩晨到中午，激戰一刻未停。
日軍武器好，對第29軍南苑陣地猛攻濫炸，但是，守軍連起碼的防空設施都沒有，傷亡很大。日軍不斷逼近，四五百米外便是成群的日軍。佟麟閣身為副軍長，始終在陣地前沿指揮作戰。
下午兩點鐘， 日軍攻入南苑，29軍腹背受敵。指揮部下令突圍，佟麟閣于是率官兵退至大紅門北，南苑失守。
接着，日軍又集中兵力包圍了大紅門。佟麟閣指揮部隊利用地形邊打邊走。由于日軍飛機瘋狂掃射，他不幸右腿中彈，鮮血直流。
衛兵們勸他稍退裹傷，佟麟閣大聲說：“事急如此，抗敵事大，個人安危事小。”
将士們聞此不禁淚下。
戰鬥達到白熱化程度，陣地前一片厮殺的呐喊之聲，将士們與日軍展開白刃格鬥。由于通訊線路被日軍炮火炸斷，29軍與北平城内最高指揮部失去聯絡，沒有援軍。佟麟閣決定儲存實力，沖出重圍。他強忍腿傷的疼痛，率領部隊突圍。敵機又一次俯沖而來，炸彈傾瀉。突然，一顆炸彈落在佟麟閣身邊爆炸，一塊彈片擊中了他頭部。
佟麟閣栽倒在地上，壯烈殉國，時年45歲。
上一日是7月27日，是佟夫人彭靜智的生日，曾要求佟麟閣回家團聚，但由于戰事緊急，他回電話說：“國難當頭，軍務緊急，大丈夫應當效馬援甲，馬革裹屍還鄉。”愛國之情催人淚下。
佟麟閣殉難第二天，有人駕着紅十字會的車輛疾赴永定門外，尋找将軍忠骨，在田疇中發現将軍遺骸。
佟麟閣是盧溝橋事變後第一位為國捐軀的進階将領。噩耗傳出，北平市民無不哀痛，哭訴說：“民失一赤子， 國折一良将。”
7月31日，國民政府釋出褒獎令，追贈佟麟閣為陸軍上将，其生平事迹，宣諸史館，以彰忠烈。