卢沟桥事变后，日军不断增兵平津地区，29军面临着巨大的军事压力。
1937年7月26日，29军军部匆匆迁入北平城内，132师师长赵登禹被任命为南苑指挥官。佟麟阁和赵登禹共同坐镇南苑，研究抗敌对策。佟麟阁表示：既然敌人找上门来，就要和他拼个死活，这是军人的天职，没有什么可说的。
此时，借口避往山东的宋哲元返回天津后，又受到日方压迫和汉奸包围，欲求苟全。佟麟阁目睹危机即发，事不宜迟，急电宋哲元，陈述利害。但宋哲元轻信亲日派等人散布的日本决心把此次事件“地方化”、“就地解决”的说法，于12日发表了力主“和平”解决的看法和主张，承认了亲日派所签订的停战三项协定。19日，宋哲元由天津返北平后，仍幻想和平，竟下令打开封闭的城门，撤除防御沙包等。佟麟阁力持不可，说：“军长苟有不便，请回保定，以安人心。平津责之麟阁。如敌来犯，我决以死赴之，不敢负托。”
最后宋哲元终于同意了佟麟阁的请求，决心抗敌，于是急调赵登禹师星夜来北平增强防务。27日，宋哲元通电表示：日人欺我太甚，不可再忍，拒绝日方一切无理要求，为国家民族生存而战。
宋哲元令南苑29军军部迁入北平。佟麟阁在生死存亡关头，不愿离开，决心与南苑官兵和军事训练团的学员、大学生军训班的学生等一同死守南苑，由副参谋长张克侠带领军部人员进城。
28日，日军由通县、丰台调集陆、空军进攻南苑。当时南苑守军有29军卫队旅、骑兵第9师留守的1部、军事训练团、平津大学生军训班等共5000余人。佟麟阁誓死坚守。
日寇集中火力，炮声隆隆，飞机狂炸，战斗十分激烈。守军虽然武器比日军差很多，但士气却异常高昂，争夺由拂晓至过午，双方伤亡均惨重。这时忽报北面发现敌人，佟麟阁唯恐敌截断北路，便分兵亲往堵击。因寡不敌众，部队被敌四面包围，只能利用地形，继续与敌苦战。
佟麟阁在指挥右翼部队向敌突击时，被敌机枪射中腿部，部下劝他稍退裹伤，他说：“情况紧急，抗敌事大，个人安危事小……”，仍奋勇当先，官兵深受感动，拼命冲杀。
日军见久攻不下，便派飞机前来助战，在敌机的狂轰滥炸中，一枚炸弹落在佟麟阁的坐骑旁，无情的弹片击中了带伤指挥作战的佟麟阁头部，顿时血流面颊，从马上栽倒在地上，壮烈殉国，时年45岁。佟麟阁是我国抗战初期牺牲的高级将领之一。
