中午时分，日军突破了南苑西、南两方面的防线，二十九军与城内联络的惟一道路就是南苑到北平间的公路了。就在此时，随从士兵报告，在大红门一带出现大批日军。佟麟阁为之一震，他清醒地知道，这股日军显然是要控制大红门，切断整个北路，那样南苑的部队就会成为一支孤军，完全落入日军的包围圈中。军情万分紧急，佟麟阁决定亲自前去扫清大红门的日军。当时守军兵力已经不多，经紧急调遣，只有百余名随员和卫兵，佟麟阁顾不得兵力单薄，率众向大红门急驰。
4、壮哉，将军！
日军已经发现了这支增援部队，他们集中大量的火力，向这支毫无遮挡的队伍密集发射炮弹。在佟麟阁指挥下，战士们冒着炮火迂回前进。日军见这支部队人数并不多，于是调集步兵逐渐合围。在大红门附近，佟麟阁陷入了重围，苦战良久，东冲西突，终不能打开缺口。佟麟阁腿部中弹，部下劝其稍退裹伤，他说：“情况紧急，抗战事大，个人安危事小。”任血流如注，依然带头冲杀。佟麟阁所想的不是要保全自己，而是如何寻找敌人的破绽，保住这北线唯一的通路。将士们热泪盈眶，随着佟麟阁与敌人杀成一团。这时，一颗罪恶的子弹击中了佟麟阁的头部，他眼中喷着怒火，带着对敌人的无比痛恨，壮烈牺牲。这一年，佟麟阁45岁。佟麟阁殉难的第二天，冀察外交委员会派秘书欧阳夫率领警卫10余人，架着红十字会的车辆赴大红门，寻回将军的遗体。
佟麟阁是全面抗战开始后牺牲的第一位高级将领，他拼死抗敌的牺牲精神为全国人民所敬仰。国民政府于1937年7月31日发布褒奖令，追赠佟麟阁为陆军上将。1943年元旦，国民政府在陪都重庆举行表忠盛典，宣布抗日英烈佟麟阁、赵登禹入祀首都忠烈祠。国民政府在表彰令中称赞佟麟阁：“以捍卫国家，保守疆土为职志，迭次冲锋，奋厉无前。论其忠勇，洵足发扬士气，表率戎行。不幸身陷重围，死于战阵。追怀壮烈，痛悼良深！”
中国共产党在巴黎出版的《救国时报》载文敬悼佟麟阁将军，称赞他为“奋战至最后一滴血，光荣地完成了保国卫民的天职，足为全国军人的模范。”
佟麟阁和赵登禹两将军都是冯玉祥多年的袍泽。对于他们的牺牲，冯玉祥十分悲痛。这年8月1日，冯玉祥在南京作《吊佟赵》诗一首，表达了他对两位民族英雄的深厚感情：
佟是二十六年的同志，
赵是二十三年的弟兄。
我们艰苦共尝，我们患难相从。
论学问：
佟入高教团，用过一年功；
赵入教导团，八月后即回营。
论体格：
同样强壮，但赵比佟更伟雄。
佟善练兵心极细，
赵长杀敌夜袭营。
佟极俭朴，而信教甚诚；
赵极孝义，而尤能篤行。
二人是一样的忠；
二人是一样的勇。
如今同为抗敌阵亡，
使我何等悲伤！
但我替他二位想想，
又觉得庆幸非常。
食人民脂膏，受国家培养，
必须这样死，方是最好下场。
后死者奋力抗战，
都奉你们为榜样。
我们全民族已在怒吼，
不怕敌焰如何猖狂。
最后胜利必在我方，
最后胜利必在我方！
你们二位在前面等我，
我要不久把你们赶上。
佟麟阁的遗体运回北平后，暂时寄放在北新桥柏林寺。当时北平已经沦陷，寺内方丈仰慕佟将军为国捐躯的精神，冒着被日军枪杀的危险，严守寄放灵柩机密，直到抗战胜利。1946年7月28日，在佟麟阁殉难9周年、抗战胜利一周年之际，北平人民在中山公园举行隆重的追悼大会。大会上挽联、花圈如林，公祭的队伍络绎不绝，极尽哀荣，将军最后被移葬于香山公园内。北平各界人士并一致决定，将北平西城的南沟沿街命名为“佟麟阁路”，以志永久纪念。
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