宋哲元將軍負責維持冀察危局，力求不辱國體，但日軍威脅利誘，日甚一日。宋哲元進退為難，窮於應付，日夜彷徨，無計可施，不得已借省親為名，退居山東樂陵原籍，暫避其鋒。而以佟麟閣代理二十九軍軍務，直接負軍事指揮之責。佟麟閣身負二十九軍指揮重任，時時以國家處境之危，提醒部下，教育士兵，並隨時將敵我雙方的情況向宋哲元將軍報告，使上下無所隔離。同時，在這危難之時，他與二十九軍的馮治安、趙登禹、張自忠、劉汝明諸師長精誠團結，共赴國難。
1937年7月6日，日軍駐豐台的清水節郎中隊要求通過宛平到長辛店地區演習，守軍三十七師不許，相持達十餘小時，至晚始退去。二十九軍當即作了應變準備，嚴陣以待。6日夜間，日軍在盧溝橋附近演習，23時左右又在宛平東方鳴槍數響，借口失蹤日兵一名，要求進入宛平搜尋。二十九軍守軍對日軍的尋釁，予以嚴詞拒絕，戒備愈嚴，日軍不能得逞。日本駐北平使館武官鬆井亦於當夜24時以電話通知我冀察當局，聲請進入宛平縣城搜尋士兵，被婉言拒絕。未幾，鬆井又以電話相告，將以武力保衛前進。7月7日拂曉，日軍一個中隊突然向二十九軍盧溝橋守軍發起攻擊。佟麟閣隨即命令三十七師師長馮治安和何基灃旅長堅決抵抗。該旅吉星文團金振中營遂奮起抗擊日軍。盧溝橋的槍聲，響徹華北大地，全國緊急動員，八年抗戰就此開始。
七七事變發生後，佟麟閣即在北平南苑召開二十九軍全軍將校會議，慷慨陳詞，他說：“中日戰爭是不可避免的。日寇進犯，我軍首當其衝。戰死者光榮，偷生者恥辱；榮辱係於一人者輕，而係於國家民族者重。國家多難，軍人應當馬革裹屍，以死報國。”反複闡述，聞者動容。隨後，他立即以二十九軍軍部的名義向全體官兵發出命令：凡有日軍進犯，堅決抵抗，誓與盧溝橋共存亡，不得後退一步。並由二十九軍副參謀長張克俠（中共地下黨員）、一三二師師長趙登禹等前往山東向軍長宋哲元彙報情況，請其返北平坐鎮。宋哲元於7月11日下午抵達天津。二十九軍盧溝橋抗戰，受到全國軍民團體的熱烈擁護，先後打來電報，一致擁護二十九軍堅決抗戰。二十九軍於7月13日複電表示：“保衛國土，義不容辭，慷慨赴義，分所當然。”
7月7日在盧溝橋的激戰，至8日淩晨4時稍停。11時至12時，日軍兩次向盧溝橋發炮共一百八十餘發，盧溝橋車站附近煤區被日軍占領。同時，日軍由永定河東岸向河西岸推進，搶奪盧溝橋。盧溝橋橋西的守軍金振中營的一個排頑強戰鬥，全排殉難。宛平城西門城樓某連長，眼見日軍前進，氣憤已極，不待命令，即派一排衝出西門往援。該排士兵手持大刀、手榴彈偷偷接近日軍，舉刀砍殺，聲震四野，日兵猝不及防，被砍殺三十餘人，生擒一人。
8日，北平市長秦德純派魏宗瀚、王冷齋、李薪雨三人與日本駐北平使館武官鬆井、今井會商解決辦法。9日達成協議，雙方將盧溝橋駐軍後撤，交石友三保安隊接防。日方利用談判作為緩兵之計，從東北調兵入關，擴大對中國的全麵侵略戰爭。10日，日軍攻宛平，下午16時圍城，石友三的保安隊死守宛平應戰。北平至盧溝橋及豐台鐵路被日方炸毀。在保衛盧溝橋戰鬥中，金振中營官兵立下“寧為戰死鬼，不做亡國奴”的誓言，堅守陣地。回龍廟陣地三失三得，傷亡慘重。我軍擊斃日軍大隊長一木清，金振中營長亦身負重傷。
12日，蔣介石命令二十九軍就地抵抗。當日，我軍奮勇攻擊，奪回盧溝橋。13日，我軍堅守之。14日，日軍對北平采取包圍態勢，並犯南苑。佟麟閣指揮駐南苑守軍迎擊，擊退日軍。
二十九軍長宋哲元由山東返回天津後，受群奸包圍、日方壓迫，不能自主。佟麟閣目睹更大的危機隨時即發，事不宜遲，急電宋哲元陳述利害，請其速返平坐鎮，免為津沽群奸出賣。不料，14日日本駐屯軍司令香月向宋哲元提出反共、禁止排日言論、取締排日團體及抗日民眾運動、中國駐軍撤出北平等七項要求，限於19日前答複。宋哲元在此嚴重國難時刻，竟在日偽脅迫之下，承認香月所提出的七條要求。19日，宋哲元由津返平後，欲下令打開封閉的城門，撤除防禦沙包，查禁抗日書報，準備實行“中日共同防共”。佟麟閣、馮治安力持不可。佟麟閣說：“軍長若有不便，請回保定，以安人心，平津責以佟某可也。萬一變故而敵來犯，某決心以死赴之，不敢負托。”宋哲元乃從佟麟閣之請，決心抗戰。20日，日軍再攻盧溝橋和宛平縣城，我軍堅決抵抗，日軍被迫退回豐台。與此同時，大紅門也發現了日軍，豐台、南苑繼續發生戰鬥。21日，日軍總攻宛平，同時炮擊長辛店，轟炸廊坊，我軍傷亡重大。25日，二十九軍軍長宋哲元回到南苑軍部，與佟麟閣會商抗戰問題。27日，宋哲元通電表示：日人欺我太甚，不可再忍，拒絕日方一切無理要求，為國家民族生存而戰。
7月27日，日軍由廊坊進犯團河。28日，日軍由通縣、豐台調集陸空軍進攻南苑。當時駐守南苑的有二十九軍衛隊旅、騎兵第九師留守處、軍官教導團、平津大學生軍訓團等官兵兩千餘人。佟麟閣與從任丘趕來的一三二師師長趙登禹一起指揮部隊，英勇打擊日軍，一部在外圍與日軍交戰，一部在內固守，抱定誓與陣地共存亡的決心。日軍集中火力，重炮猛轟，飛機狂炸。我軍雖炮械較敵為劣，但士氣卻旺於敵，由拂曉至午後，雙方傷亡均慘重，然日軍終未能進我陣地一步。在戰鬥前，佟麟閣特意對趙登禹說：“既然敵人找上門來，就要和他死拚，這是軍人的天職。”趙登禹亦自豪地說：“在喜峰口那次戰鬥中，我們還不是把他們打得落花流水了！等著瞧吧！”這時，忽報大紅門又發現日軍，佟麟閣恐被其切斷北路，乃分兵親往堵擊，寡不敵眾，被日軍四麵包圍，遂利用地形，繼續與敵苦戰。佟麟閣在指揮右翼部隊向敵人突擊時，被敵機槍射中腿部。部下勸佟麟閣稍退裹傷，他怒目圓睜地說：“情況緊急，抗敵事大，個人安危事小……”執意不肯，愈奮勇當先殺敵。我軍官兵淚如泉湧，個個衝向敵人拚搏衝殺。如此戰鬥極慘烈，我軍傷亡甚大。這時，敵機又來狂轟濫炸，佟麟閣頭部又受重傷，壯烈殉國。是役，我抗日軍隊官兵死傷約一千餘人，在中華民族抗日戰爭史上寫下了最早為國抗戰捐軀的光輝篇章。佟麟閣為中國抗日戰爭中犧牲的第一位國民黨軍高級將領。28日下午，在大紅門戰役中，佟麟閣最親密的軍中友人趙登禹將軍亦壯烈殉國，時年41歲。
佟麟閣、趙登禹兩位將軍在抗戰之初，以血肉之軀，奮勇捍衛國家尊嚴，誓死保衛任何人都不可侵犯的中華民族利益，死於保衛北平之戰，大節凜然，豐功偉烈，天地為之動容，山河為之悲泣。噩耗傳出，北平市民無不落淚，全國軍民、海外僑胞同聲哀悼。國民政府於1937年7月31日發布褒恤令，追授佟、趙兩將軍為陸軍上將，生平事跡，宣付史館，以彰忠烈。在延安，毛澤東稱之為“給全中國人以崇高偉大的模範”。
此後，通過中國紅十字會，由冀察政委會外交委員會派秘書歐秋夫率警卒十餘人，乘中國紅十字會的汽車於7月29日疾赴永定門外，尋覓到佟麟閣將軍的忠骸。佟麟閣全身浴血，麵目模糊，一行人目睹此狀，放聲大哭。少頃，遂將遺體運回城內，交予佟麟閣夫人彭靜智及其子女。彭靜智痛不欲生，昏倒在地，子女悲聲難禁。此後，佟麟閣的屍骨被家人隱姓埋名，寄厝於北新橋柏林寺中。老方丈仰慕將軍為國捐軀精神，保守寄柩秘密，直到抗戰勝利。
1943年1月1日，國民政府在重慶舉行表忠盛典，宣布抗日殉國將軍佟麟閣、趙登禹等應一體入祀首都忠烈祠，並同時入祀全國各省市忠烈祠。1946年3月29日，在北平八寶山忠烈祠，隆重舉行入祀大典；並將北平西城區兩條路命名為“佟麟閣路”、“趙登禹路”，以為紀念。7月28日，在佟麟閣將軍殉國九周年，移葬香山蘭澗溝。
1979年，北京市人民政府將佟麟閣的墓地修葺一新。8月，中華人民共和國民政部發出通知，追認佟麟閣為抗日陣亡革命烈士。
1980年7月28日，北京市政協和北京市民革在香山隆重舉行儀式，紀念佟麟閣將軍殉國四十三周年。
1985年8月13日，在中國人民革命軍事博物館展出佟麟閣遺像史料、墨寶並佟麟閣雕塑肖像一座，以此讓世人永遠紀念這位為中國抗日戰爭中犧牲的第一位國民黨軍高級將領、抗日愛國英雄。
佟麟閣殉國時，年僅四十五歲。父佟煥文和母胡太夫人均在堂。佟麟閣與妻子生有子女六人：長子榮萱、次子榮芳（今名佟兵）、長女克修（又名風華）、次女雅農（又名風琴）、三女亦非（又名風鳴）、四女亦君（又名風州）。佟麟閣犧牲後，佟氏一門孤寡，陷於孤城，乃改名換姓，忍辱八年。
佟麟閣夫人彭靜智，又名瑞卿，生於1895年農曆六月十九日，逝於1968年6月6日。素有賢行，敬老育幼，勤儉持家，夫妻相敬如賓。在生活上，夫人對佟麟閣照顧周到有加。如丈夫在家，亦常伴佟麟閣將軍夜間辦公至深夜。佟麟閣對妻子亦愛護備至，教她學文化、閱讀書報和寫信；體貼夫人辛勞，時常抽空陪她郊遊；還把夫人的賢德撰擬成詞：“瑞卿夫人，隨我廿年。戎馬顛簸，曆盡艱危。含辛茹苦，風雨同舟。尊老育幼，克勤克儉。鐫此數語，永誌不忘。”並將此詞刻於手鐲，作為紀念。彭靜智早年隨佟麟閣在駐軍營地，響應馮玉祥將軍號召，組織軍屬紡紗織布，為將士做被服，深受將士敬佩，馮玉祥將軍稱她為軍屬模範。北伐戰爭中，佟麟閣在前線作戰，交通受阻，軍餉不濟。彭靜智自告奮勇，化裝冒險，親送款項。佟麟閣初見，頗為驚異，及至問明來意，倍加敬重。所以，佟麟閣常對子女說：“我事業的成就，一半歸功於你們的母親。”
佟麟閣將軍殉國後，日軍占據北平。彭靜智避尋釁，又以將軍廉而貧，乃徙居陋巷，事翁姑，教子女，殫精竭慮，含辛茹苦；還要把將軍殉國之事瞞過翁姑，隻說將軍隨軍南下抗戰，不能回來，每日強顏歡笑，安慰二老；有時二老念子甚，日倚門望音書，夫人乃偽為將軍家信，讀之聽，以釋懸憂；善事翁姑，如將軍遺誌。
佟麟閣治家，遵循《朱子治家格言》，懸於中堂。他還信仰李二曲（清李頤）和楊椒山（明楊繼盛）之為人。常讀《二曲集》和《楊椒山傳家寶訓》以自修，並在北平古舊書店購此兩書，讓副官關憲昌送到天壇公園放在石桌之上，供愛好者閱讀或帶走，借此流傳，既不要錢，也不簽名。
佟麟閣待子女嚴肅慈祥，子女敬畏自愛。他常常以古人“鑿壁偷光”、“懸梁刺股”等故事教育子女發奮勤學，要求他們把習字、作業寄到軍營中，親自過目，批改寄回。佟麟閣在北平城內及香山寓所都有果圃菜園。在假日，他常與妻子帶著子女種菜養花，培植果木，培養子女勤勞敦厚的品德，防止他們沾染紈絝習氣。有空時，佟麟閣會給子女仔細講述嶽飛、陸遊、越王勾踐及馮玉祥將軍的愛國故事，向他們灌輸愛國思想；一起背誦先賢詩詞，陶冶情操。1933年，佟麟閣在北平香山退居期間，有一次和子女朗誦嶽飛的《滿江紅》，誦到“靖康恥，猶未雪；臣子恨，何時滅”時，佟麟閣忽拍案而起，凝視掛在牆上的地圖中的東北三省，長歎不已。故佟麟閣最常囑咐子女的，就是要求他們效法先賢，立誌救國，誓死不做亡國奴。
佟麟閣事父母極孝，休假必回家看望雙親，與夫人子女團聚，享受天倫之樂。進餐時，家人未齊，將軍從不舉箸。父母有病，親奉湯藥。但自七七事變發生後，將軍公而忘私，國而忘家，雖南苑與北平城內寓所近在咫尺，從未返回。激戰前夕，佟麟閣將軍的父親病重，家人多次促其歸省，佟麟閣均以戰事瞬息萬變，不肯片刻離軍。他揮淚傳話告訴妻子彭靜智：“大敵當前，此移孝作忠之時，我不能親奉湯藥，請代我孝敬雙親。”佟麟閣將軍之忠孝，不可多得。二十九軍部屬聞之，莫不感動流淚，誓死效命拚殺日本侵略軍的疆場。
佟麟閣真偉丈夫也！慷慨壯烈，忠孝兩全；燕趙有斯完人，足以自傲於世！