但是，此时国民政府对日本的态度仍不明确，仍抱有通过和谈平息事件的幻想。11日方才回到军中的宋哲元企图按照地方事件来处理七七事变。佟麟阁坚决主张武力还击，不让日军得逞。
而与此同时，日军则借和谈的时机快速增兵。到25日，日军在平津地区已经集结了近6万人。
26日下午，日军华北驻屯军向第29军发出最后通牒，要求中国守军于28日前全部撤出平津地区，否则将采取行动。面对如此无礼的挑衅，军长宋哲元严词拒绝。作为“回礼“，宋哲元于第二天向全国发表自卫守土通电，表态将坚决守土抗战。
28日清晨5点半，日军发起进攻，先派21架飞机分两队轰炸北平四郊，并以机枪扫射。日军的进攻重点在南苑，而这一区域恰是佟麟阁驻守。日军集中优势兵力3000人，携40余门大炮，向南苑猛攻。南苑阵地陷入一片火海之中。
面对汹涌而来的日军，佟麟阁并没有随军部移驻北平城，而是与师长赵登禹一起，率领留守南苑的官兵以及军事训练团的学员、大学生军训班的学生约8000人一起死守南苑。
战斗相当激烈。混战中，佟麟阁被日军机枪射中右腿，血流不止，行动不便。稍微包扎后，继续率部指挥作战。没过多久，在日军飞机的狂轰滥炸中，带伤指挥作战的佟麟阁不幸被弹片击中头部，壮烈殉国，年仅45岁。