1937年7月28日，北平大战开始。
北京城外的南苑，佟麟阁所在的第二十九军司令部遭受40余架敌机的轮番轰炸，并有3000人的机械化部队从地面发动猛烈攻击。佟麟阁与132师师长赵登禹誓死坚守阵地，指挥二十九军拼死抗击。战斗进行得十分激烈。后奉命向大红门转移，途中再遭致日军包围，在组织部队突击时，被机枪射中腿部，头部再受重伤，流血过多，壮烈殉国。
毛泽东同志曾高度评价佟麟阁等国民党抗日将领，称赞他们“给了全中国人民以崇高伟大的模范”。
1937年7月31日南京国民政府发布命令，追授佟麟阁为陆军上将。