1937年7月28日，日军对北平、天津发动疯狂的进攻。
拂晓时分，日军在飞机和装甲车配合下，直扑南苑。中国29军副军长佟麟阁指挥部队，一部分主动出击，在外围与敌交锋，一部分凭战壕固守，全军上下抱定与防地共存亡的决心，从凌晨到中午，激战一刻未停。
日军武器好，对第29军南苑阵地猛攻滥炸，但是，守军连起码的防空设施都没有，伤亡很大。日军不断逼近，四五百米外便是成群的日军。佟麟阁身为副军长，始终在阵地前沿指挥作战。
下午两点钟， 日军攻入南苑，29军腹背受敌。指挥部下令突围，佟麟阁于是率官兵退至大红门北，南苑失守。
接着，日军又集中兵力包围了大红门。佟麟阁指挥部队利用地形边打边走。由于日军飞机疯狂扫射，他不幸右腿中弹，鲜血直流。
卫兵们劝他稍退裹伤，佟麟阁大声说：“事急如此，抗敌事大，个人安危事小。”
将士们闻此不禁泪下。
战斗达到白热化程度，阵地前一片厮杀的呐喊之声，将士们与日军展开白刃格斗。由于通讯线路被日军炮火炸断，29军与北平城内最高指挥部失去联络，没有援军。佟麟阁决定保存实力，冲出重围。他强忍腿伤的疼痛，率领部队突围。敌机又一次俯冲而来，炸弹倾泻。突然，一颗炸弹落在佟麟阁身边爆炸，一块弹片击中了他头部。
佟麟阁栽倒在地上，壮烈殉国，时年45岁。
上一日是7月27日，是佟夫人彭静智的生日，曾要求佟麟阁回家团聚，但由于战事紧急，他回电话说：“国难当头，军务紧急，大丈夫应当效马援甲，马革裹尸还乡。”爱国之情催人泪下。
佟麟阁殉难第二天，有人驾着红十字会的车辆疾赴永定门外，寻找将军忠骨，在田畴中发现将军遗骸。
佟麟阁是卢沟桥事变后第一位为国捐躯的高级将领。噩耗传出，北平市民无不哀痛，哭诉说：“民失一赤子， 国折一良将。”
7月31日，国民政府发布褒奖令，追赠佟麟阁为陆军上将，其生平事迹，宣诸史馆，以彰忠烈。