1937年7月28日，北平大戰(zhàn)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余架敵機(jī)的輪番轟炸，并有3000人的機(jī)械化部隊(duì)從地面發(fā)動猛烈攻擊。佟麟閣與132師師長趙登禹誓死堅(jiān)守陣地，指揮二十九軍拼死抗擊。戰(zhàn)斗進(jìn)行得十分激烈。后奉命向大紅門轉(zhuǎn)移，途中再遭致日軍包圍，在組織部隊(duì)突擊時(shí)，被機(jī)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(jià)佟麟閣等國民黨抗日將領(lǐng)，稱贊他們“給了全中國人民以崇高偉大的模范”。
1937年7月31日南京國民政府發(fā)布命令，追授佟麟閣為陸軍上將。