祥于1932年10月由山东泰山到张家口找佟麟阁磋商组织同盟军等问题。
1933年5月23日，日本关东军参谋长小矶国昭向路透社记者发出狂妄叫嚣：“为保卫‘满州国’西境安全，日军有进驻张家口之必要。”察省形势，益行危急，察哈尔省民众抗日同盟军总司令冯玉祥子26日发表抗日通电。
冯玉祥任命佟麟阁为抗日同盟军第一军军长，仍代理察省主席。第一军辖四个师及一个独立旅，这是支抗日同盟军的基本队伍。在6月15日召开的抗日同盟军第一次代表大会上，成立了同盟军军事委员会，选举了委员三十五人，常委十一人，佟麟阁是委员和常委之一。
6月20日，佟麟阁、吉鸿昌、方振武等二十六名将领联名通电表示：为民族生存而战斗，应民众要求而奋起，敢对国人一掬肺腑。凡与敌人同一战线者皆为吾仇。并宣布：重整义师，克日北指，克复察省失地，再图还我河山，……四省不复，此心不渝。佟麟阁积极与北路前敌总指挥吉鸿昌，北路前敌总司令方振武等密切配合，并派出第一军的第二师受吉鸿昌指挥，出兵张北，猛烈攻击敌伪军，先后收复康保、宝昌、沽源，又乘胜挺进，7月12日克复多伦。共击毙日军茂木骑兵第四团及伪军李华岑等千余人。抗日同盟军军威大振。
对日作战，加上蒋介石、何应钦的军事压迫，使抗日同盟军腹背受敌。察省地瘠民贫，补给也极其困难。冯五祥迫不得已，乃于8月5日发出通电，把收复国土，交渚国人。15日离开张家口。至此，深为日寇所恐惧的察省民众抗日同盟军不幸夭折。
抗日同盟军被迫撤销后，宋哲元回察主政。佟麟阁深感抗日之志未遂，而山河破碎，国运垂危，不胜悲愤，于是退居北平香山寓所，与家人团聚，奉养双亲。寄情于研读圣经、周易，写字、摄影、打猎，以待报国时机。
在隐退期间，宋哲元再三敦请佟麟阁出山，负责军事。第二十九军的师长冯治安、赵登禹、张自忠、刘汝明等亦联袂相邀。此时干津大学生和人民群众的抗日救亡运动，在共产党的号召下，日益激昂。佟麟阁感到抗日救国之日到来，于是欣然出山。回任第二十九军副军长兼军事训练团团长(教育长为张寿龄)，还兼大学生军训班主任，住南苑二十九军军部，主持全军事务。
宋哲元负责维持冀察政局，被外敌内奸威胁引诱，进退两难，穷于应付，便借为父亲修墓和养病为名，干1937年2月底离干，而以佟麟阁代理军长职务，直接负军事指挥之责。佟麟阁身负二十九军指挥重任，乃时时以国家处境之危，二十九军责任之重，教育官兵，使明战伐，他还随时将敌我情况报告中央和冯王祥(这时冯玉祥在南京任军事委员会副委员长)，使上下无所隔离。他与冯治安、赵登禹、张自忠、刘汝明诸师长精诚团结，以共同御敌，二十九军将士之所以拚命赴敌，多得力于佟麟阁的明耻教战。
1937年7月6日，日军驻丰台的清水节郎中队，全副武装，要求通过宛干县城到长辛店地区演习。宛平第三十七师驻军不许，相持达十余小时。二十九军当即作了应变准备，严阵以待。至晚，敌始退去。7日夜间，日军一个中队突然向芦沟桥守军发起攻击。佟麟阁代军长立即命令三十七师一一○旅旅长何基沣自卫还击。该旅吉星文团金振中营遂奋起抵抗。芦沟桥的枪声，响彻了大地，全民族的八年神圣抗战，从此开始。
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。
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