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1937年7月7日夜，日军在卢沟桥附近进行演习，以搜查"失踪"士兵为名，进攻宛平城。驻防在此的29军37师219团奋起抵抗，卢沟桥事变爆发。
此时，29军军长宋哲元正在山东乐陵为父亲修陵墓，军务暂由佟麟阁代理。同在军中的还有著名抗日将领张自忠。
日军对卢沟桥的进攻在7月8日清晨5点左右。当时，日军的炮火非常猛烈。29军司令部命令前线官兵："确保卢沟桥和宛平城"，对防守下了死命令："卢沟桥即尔等之坟墓，应与桥共存亡，不得后退。"负责守卫卢沟桥和宛平城的第219团第3营在团长吉星文和营长金振中的指挥下奋起抵抗。
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。虽然前线战士拼死抵抗，但是国民政府仍旧和日军继续和谈。7月9日、11日、19日，冀察当局与日本华北驻屯军达成了三次协议。但是这些协议仅仅只是一纸空文，日军仍旧继续进攻。7月17日，在发表谈话，他说："再没有妥协的机会，如果放弃尺寸土地与主权，便是中华民族的千古罪人。"终于表明了政府的态度和决心。
政府的决心是表下了，但是，却迟迟不见有援军增援前线的29军。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。
面对日军的猛攻，佟麟阁毫不退缩，他激烈士兵说："中日之战不可避免，日寇进犯，吾辈首当其冲。战死者光荣，偷生者耻辱，荣辱系于一人者轻，而系于国家民族者重。国家有难，军人应当马革裹尸，以死报国。"
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。部下劝其稍作休息，他拒绝说："情况紧急，抗敌事大，个人安危事小！"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。同时牺牲的高级将领还有第132师师长。
佟麟阁年仅45岁，英年早逝，令人感叹。
对佟麟阁将军的评价，当时的《北平时报》曾撰文写道："佟副军长善治军。二十九军纪律严明，勇于作战。而于老百姓则秋毫不犯，佟将军训练之力也。当七七后，军士于烈日下守城，每一队前，置水一桶，用开水以止渴。商民感激欲泣，竞献西瓜，坚却不受。对老百姓恭而有礼，杀敌则勇猛无伦，堪称模范军人。"
"模范军人"四个字，是对佟麟阁将军最为中肯的评价，将军英名，彪炳史册。
