盧溝橋事變後佟麟閣出任29軍副軍長兼軍事訓練團團長，率29軍衛隊旅、騎兵第九師一部、軍事訓練團和平津大學生軍訓班等約2萬人駐守南苑。當時将軍意識到中日戰争不可避免，就命部下早做準備，并在動員大會上說：“日寇進犯，我軍首當其沖。戰死者光榮，偷生者恥辱；榮辱系于一人者輕，而系于國家民族者重。國家多難，軍人應當馬革裹屍，以死報國。”
随後，佟将軍以軍部名義向全軍官兵釋出指令：凡有日軍進犯，堅決抵抗，誓與盧溝橋共存亡，不得後退一步。1937年7月28日淩晨4點，日軍出動重兵在裝甲車和飛機的配合下向南苑發起猛攻，佟麟閣率部奮起抵抗。由于漢奸的出賣，日軍事先獲知了國軍的布防圖，是以佟部很快就陷入了被動。戰至下午2點左右，國軍損失大半，佟麟閣也在戰鬥中負傷。
副官高弘錫要把他送回北平城内醫治，被佟麟閣拒絕了。他大聲說道：“那麼多學生還在這兒呢，我走了他們怎麼辦！個人安危事小，抗敵事大”不久後，佟麟閣接到了撤退指令，途徑大紅門一帶時和日軍遭遇，不幸戰死，年僅45歲。當時隻知道将軍犧牲在了大紅門一帶，但具體地點卻不清楚。直到68年後，一位名叫喬德林的老人在做客央視的一檔訪談節目時才披露了當年佟麟閣将軍犧牲的地點和細節。
喬德林當時住在豐台區南苑時村，當年隻有13歲。據他回憶，日軍早在村子裡設下了埋伏，其中有兩挺機槍就架在他家的屋頂上。是以當佟麟閣将軍率領部分退下來的學生兵途徑時村的時候，埋伏在這裡的日寇突然開火，日軍的機槍首先擊中了佟将軍的棗紅馬，佟麟閣步行帶着戰士們往旁邊的莊稼地裡跑，希望借助青紗帳的掩護沖出重圍。
但是日軍的機槍打得很兇，彈殼不停地順着房脊往下滾，莊稼很快都被打斷了。老人回憶這一幕時用了一個很形象的形容詞，說把莊稼地打得像“剃頭”一樣。失去了青紗帳掩護的佟麟閣将軍和戰士們完全暴露在了日軍的火力下，佟将軍頭部中彈，當場犧牲。副官高弘錫冒死把将軍的遺體背到了喬德林家的山藥架旁。
喬德林說當時大家并不知道那位将軍就是佟麟閣。他隻記得将軍脖子上戴着一條明晃晃的項鍊似的東西，村裡有個姓黎的地痞，人稱“麻頭”，他以為這是個金項鍊，就跑到山藥架旁伸手把這個東西從将軍的懷裡拉了出來，結果看到是一塊懷表。“麻頭”的這個行為遭到了高弘錫的強力阻止。就是這塊懷表，确認了佟将軍的身份。
為安全起見，高弘錫把佟麟閣身上值錢的東西--一架照相機、金鍊子和懷表藏在自己懷裡，跑到北平城裡找到當時代理宋哲元管理軍務的張自忠和馮安，說佟軍長犧牲了，你們趕緊想辦法，無論如何得把遺體找回來。張自忠派了一個日文翻譯，帶着紅十字會的汽車，出城到時村把佟将軍的遺體給拉了回來。當高弘錫把佟将軍的遺物交給他的夫人時，佟夫人承受不住這巨大的打擊，當場就暈倒了。
為了避免将軍的遺體背日本人找到，佟家人把靈柩藏在了雍和宮附近的柏林寺，後來為了更好地儲存忠骨，曾追随了佟麟閣十年之久的王慎之先生征得佟府的同意，在柏林寺院内租借了一塊地皮，将棺椁就地掩埋，未起墳冢，而是在上面修砌了一個花池子作為掩護，就這樣，佟麟閣的棺椁在柏林寺，一停就是八年。抗戰勝利後，國民政府為佟麟閣将軍舉辦了盛大的國葬，上萬百姓自發前來送行，場面十分感人。