1937年7月28日，北平大戰開始。
北京城外的南苑，佟麟閣所在的第二十九軍司令部遭受40餘架敵機的輪番轟炸，並有3000人的機械化部隊從地面發動猛烈攻擊。佟麟閣與132師師長趙登禹誓死堅守陣地，指揮二十九軍拼死抗擊。戰鬥進行得十分激烈。後奉命向大紅門轉移，途中再遭致日軍包圍，在組織部隊突擊時，被機槍射中腿部，頭部再受重傷，流血過多，壯烈殉國。
毛澤東同志曾高度評價佟麟閣等國民黨抗日將領，稱讚他們“給了全中國人民以崇高偉大的模範”。
1937年7月31日南京國民政府發佈命令，追授佟麟閣為陸軍上將。
