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。
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。
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。
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。