1931年9月18日，日本帝国主义制造了九一八事变，炮轰沈阳北大营，燃起侵略中国的战火。

    1932年佟麟阁应29军军长宋哲元的邀请，出山任职，1933年日军占山海关后，宋哲元任命佟麟阁为张家口警备司令，安定后方。2月，日寇向长城各口——独石口、古北口、喜峰口进犯，中国驻军奋起抗战，29军奉命在喜峰口抗击日寇，前方将士在前线激战时，佟麟阁在后方积极备战，维持局势，保障供给，使前线将士无后顾之忧，保证了长城前线战斗的胜利。

    1933年5月，冯玉祥在张家口组织察哈尔抗日同盟军，佟麟阁任同盟军第一军军长兼代察省主席，领导对日作战，保卫察省，收复失地。同盟军被迫撤销后，佟麟阁深感抗日之志未遂，退居北平香山，以待报国之机。

    宋哲元担任冀察政务委员长后，任命佟麟阁为29军副军长兼军事训练团团长，负责军事，坐镇南苑。佟麟阁曾对部下说：“中央如下令抗日，麟阁若不身先士卒者，君等可执往天安门前，挖我两眼，割我两耳。”有志抗日救国的青年，仰慕佟将军坚决抗日的声誉，纷纷赶来参加29军。七七事变爆发后，佟麟阁以副军长之职负责军事指挥，以军部名义向全军官司兵发出命令：凡是日军进犯，坚决抵抗，誓与卢沟桥共存亡，不得后退一步。时人在《北平时报》赞佟麟阁说：“佟副军长善治军，第二十九军纪律严明，勇于作战，而于老百姓秋毫不犯，佟将军训练之力也。”“军士于烈日守城，各队前置水一桶，用开水以止渴，商民感激欲泣，敬献西瓜，坚决不受，对老百姓恭而有礼，杀敌则勇猛武伦，堪称模范军人”

    1937年7月28日，日军向北平发动总攻击，进犯南苑，时任第29军副军长的佟麟阁与132师师长赵登禹指挥29军死守南苑，佟麟阁被机枪射中腿部，部下劝其退下，他执意不肯，仍带伤率部激战。与日军从拂晓战至中午，头部又再受重伤，终因流血过多壮烈殉国，时年45岁。

    佟麟阁是全面抗战爆发后捐躯疆场的高级将领，冯玉祥将军闻讯后，怀悲写下《吊佟赵》一诗，悼念佟麟阁和一同牺牲的赵登禹将军。佟麟阁骨骸寻获后，夫人彭静智及子女含悲收敛，隐姓埋名，寄厝于北平柏林寺，寺中方丈出于对将军抗日爱国的敬慕，即使是北平沦陷，也始终严守秘密，其灵柩前只摆放着“先府君胡口口之灵”的牌位，直到抗战胜利后国奠于香山。1937年7月31日，国民政府追赠为佟麟阁陆军上将。1946年7月28日，国民政府又以隆重的国葬，将佟麟阁将军的灵柩从柏林寺移葬于北平香山的兰涧沟的坡地上，1947年3月13日，佟麟阁生前在北京居住过的南沟浴大街被命名为佟麟阁路。1979年8月，中共北京市委追认佟麟阁将军为抗日阵亡革命烈士，并将其墓修葺一新。

    2009年9月14日，被评为100位为新中国成立作出突出贡献的英雄模范之一。