二十九军全体将士对日寇的猖狂进犯，皆怒不可遏，争请杀敌先登;仅个别徘徊于和战之间，犹豫不定。佟麟阁力排干扰，主张万众一心，痛歼日寇，守卫疆地。他在南苑召开的军事会议上慷慨陈词：“中日战争是不可避免的。 日寇进犯，我军首当其冲。战死者光荣，偷生者耻辱;荣辱系于一人者轻，而系于国家民族者重。国家多难，军人应当马革裹尸，以死报国。”与会者一致拥护，请缨杀敌，佟麟阁以军部名义向全军官兵发布命令：凡有日军进犯，坚决抵抗，誓与芦沟桥共存亡，不得后退一步。

    7月7日，卢沟桥战斗，8日上午10时稍停。11至12时，日军两次向芦沟桥发炮一百八十余响，芦沟桥车站附近被敌占领。同时敌人又由永定河东岸向西岸进攻。企图强夺芦沟桥。桥西金振中营守军一个排，顽强战斗，全排壮烈殉难，宛平城西门城楼某连长见之，怒火满腔，不待命令，即派兵一排，手持大刀，飞速驰援，一遇日军，举刀就劈，杀得鬼子鬼哭狼嚎。当时《北平时报》登载一篇文章说：“佟副军长善冶军。二十九军纪律严明，勇于作战。而于老百姓则秋毫不犯，佟将军训练之力也。当七七后，军士于烈日下守城，每一队前，置水一桶，用开水以止渴。商民感激欲泣，竞献西瓜，坚却不受。对老百姓恭而有礼，杀敌则勇猛无伦，堪称模范军人。”

    7月12日，《世界日报》以《日贼侵犯宛芦，被我军击退;廿九军之大刀队大杀日贼》为标题，报道二十九军战果如下：

    (一)11日，日军二百多名，进攻大王庙，被宋部大刀队迎头痛击，血肉相搏，此队日军被砍断头颅者三分之一，人心大快。

    (二)日军新开到之援军，昨日图攻南苑(在北平南六公里，为中国空军根据地)。二十九军大刀队急向日军冲锋，相与肉搏，白刃下处，日军头颅即落，遂获大胜，日军向丰台退却。

    (三)日军前锋，昨拟沿铁路桥攻过永定河。华军对河隐伏，不发一枪，迨日军行近，大刀队突起，挥刀大杀，日军头颅随刀而下。后路日军大乱，纷纷溃退，华军即用机关枪扫，日军伤亡无数，两军肉搏，历二小时之久。

    二十九军大刀队，从喜峰口战役到芦沟桥抗战。屡建奇功，材赫有名。上海从事救亡运动的著名音乐家麦新(共产党员)为他们所感动，便于了月谱写出歌颂二十九军大刀队的战歌《大刀进行曲》，它鼓舞着亿万军民在八年抗战中英勇杀敌，今天仍为军民所喜欢的爱国歌曲：其原词为：“大刀向鬼子们的头上砍去，二十九军的弟兄们!抗战的一天来到了!抗战的一天来到了!前面有东北的义勇军。后面有全国的老百姓。咱们二十九军不是孤军。看准那敌人，把它消灭!冲啊!大刀向鬼子们的头上砍去。杀!”

    11日，日本政府任香月清司为华北驻屯军司令。中日两军在芦沟桥一带战事不断。

    此时，借口避住山东原籍的宋哲元返回天津后，又受到日方压迫和汉奸包围，妄重和议，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，清其返平坐镇，免为滓沽众人出卖。不料秦德纯等人与日谈判签订了停战协定。宋哲元轻信秦等说日本决心把此次事件作为“地方化”、“就地解决”的“不扩方针”，于12日发表了力主“和平”解决的看法和主张，承认了秦德纯所签订的停战三项协定。19日，宋哲元由津返平后，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。”宋从佟请，决心抗敌，于是急凋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。同闩宋哲元令南苑二十九军军部迁入北平。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。而由副参谋长张克侠带领军部人员进城。

    同日，敌人由廊坊进犯团河，由通县、丰台凋集陆空军于28日进攻南苑。当时南苑守军有二十九军卫队旅、骑兵第九师留守的一部、军事训练团、平津大学生军训班等共五千余人。佟麟阁誓死坚守。他说：“既然敌人找上来，就要和它死拚，这是军人天职。没有什么可说的。”日寇集中火力，刚步炮射击、飞机狂炸，战斗激烈。守军虽炮械较敌为劣，但士气却异常高昂，争夺由拂晓至过午，双方伤亡均惨重。战斗中忽报大红门义发现敌人。佟麟阁恐敌截断北路，乃分兵亲往堵击。因寡下敌众，部队被敌四面包围，只能利用地形，继续与敌苦战。佟辚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……”执意不肯，益奋勇当先。官兵感泣，拼命冲杀，此战惨烈，死亡忱籍。日军见久玫不下，便派飞机前来助战，在敌机的狂轰滥炸中，带伤指挥作战的佟麟阁头部又受重创，终于壮烈殉国，时年四十五岁。29军132师师长赵登禹亦中日军飞机空袭炸弹身亡。

    佟麟阁将军是我国民族抗日中为国捐躯的第一位高级将领，他的遗体，由中国红十字会、冀察政委会外交委员会秘书欧秋夫率警卒十余人于7月29日在大红门寻获。佟将军全身浴血，两目模糊难辨。忠骸运回北平城内，佟夫人及其子女含悲收殓，隐姓埋名，寄厝于雍和宫附近柏林寺。老方丈仰慕将军为国献身精神，保守寄柩秘密，直到抗战胜利。

    佟麟阁事父母极孝。父母有病，必亲奉汤药，休假必回家看望双亲。但自“七·七事变”以后，他为国而忘家，虽南苑与北平城内寓所近在咫尺，从未返回。激战前，其父病重，家人多次促其归省。他挥泪写信给夫人彭静智说：“大敌当前，此移孝作忠之时，我不能亲奉汤药，请代供子职，孝敬双亲。”

    彭静智女士，孝敬翁姑，教育子女，勤俭持家，素有贤行。早年随军，响应冯玉祥的号召，纺纱织布，为将士做军衣;在北伐战争中，佟麟阁在前线指挥作战，交通受阻，军饷不济，她曾化装冒险，亲送款项，深受将士佩敬。冯玉祥称她为“模范夫人”。所以佟将军常对子女说：“我事业成就，一半归功于你们的母亲。”还把夫人贤德，撰拟成词，刻于手镯，赠与夫人：

    瑞卿夫人，随我廿年。戎马颠簸，历尽艰危。含辛茹若，

    风雨同舟。尊老育幼，克勤克俭。镌此数语，以志不忘。

    佟麟阁殉国时，父母均在堂，下有子女六人。佟夫人将佟麟阁阵亡事瞒过双亲，每日强颜欢笑，只说将军南下抗战，安慰二老;二老念子甚，日倚门望归，夫人乃伪拟家书，以释忧悬。

    1937年7月31日，国民政府发布褒恤令，追赠佟麟阁为陆军上将，生平事迹，宣付史馆，以彰忠烈。

    毛泽东同志对佟麟阁的献身精神给予很高的评价。他在1938年3月12日延安纪念孙总理逝世十三周年及追悼抗敌阵亡将七大会上的演说词中说佟麟阁等人“无不给了全中国人以崇高伟大的模范”。

    抗战胜利后，1946年4月5日(清明节)在北平八宝山忠烈祠，北平市各界隆重举行入祀大典，供奉佟、赵两将军神位。并将北平西城的南沟沿命名为“佟麟阁路”。通州亦因佟麟阁在该县指挥过抗日，乃命名一条街为“佟麟阁街”，以为纪念。随后，佟麟阁烈士忠骸移葬于北平西郊风景区香山南约一公里的兰涧沟山上。

    1979年8月1日，中共北京市委统战部发出通知，定佟麟阁为抗日阵亡的革命烈士。北京市人民政府为佟将军修墓立碑，一米多高的汉白玉碑上镌刻着“抗日烈士佟麟阁将军之墓”十一个黑色大字。1980年7月28日，北京市政协和北京市民革在香山举行扫墓仪式，隆重纪念佟麟阁殉国四十三周年。

    1985年8月13日，中国人民革命军事博物馆抗日战争纪念馆开馆。馆内展出了佟麟阁的遗像、史料、墨宝等，并有塑像一尊，以供人们参观和永远纪念。