日本侵略军占领平津后，调集重兵沿平绥铁路向南口进攻，妄图侵占煤炭资源产地山西，以及中国大西北地区。作为平津通往西北地区的重要门户，中国军队的爱国官兵在这里和侵略者展开了一场殊死搏斗。
南口战役从1937年8月8日开始，此前日军的飞机就对南口、居庸关进行轮番轰炸，罗芳珪奉命率部扼守阵地。8月1日，罗芳珪团作为先头部队从内蒙古乌兰察布盟南部紧急出发，挺进张家口，抢在敌寇到达之前占领南口险隘。
从8月10日起，坂垣师团出动飞机30余架，坦克30多辆，野炮60多门，投入兵力万余众，向我军阵地疯狂进攻。坚守南口虎峪村、苏林口、马鞍山一带的罗芳珪团首当其冲，承受着极大的压力，与10倍之强敌连续血战20天。在那难忘的日日夜夜里，罗芳珪将个人生死置之度外，观察敌情、调度部队、慰问伤员、鼓舞士气，始终坚持在一线指挥。以不屈不挠的英雄气概，打退了敌人的一次次冲锋，阵地岿然不动。
从8月12日起至23日止，以千余人抵御数万之敌。当时所部已陷日军重围，他仍率部顽强突围出去。虽然南口突围以后，罗芳珪团大部阵亡，损失惨重，但经南口一战，大震军威，罗芳珪团也赢得了抗战英勇杀敌“四大名团”之一的美名。
1937年8月31日，中国共产党中央委员会机关刊物《解放》周刊发表的“时事短评”中，对参加南口保卫战的中国军队爱国官兵给予高度评价，指出中国军队以“无比壮烈的抵抗”打击了日军嚣张的侵略气焰，以“战斗的英勇，博得了全世界的惊讶和赞扬”，还指出“不管南口阵地事实上的失却，然而这一光荣的战史，将永久与长城各口抗战，淞沪两次战役鼎足而三，长久记在每一个中华儿女的心中”。在南口战役进行中，中国著名记者范长江等亲临前线采访，在《大公报》、《国闻周报》和北平《晨报》上，连续发表《抢防南口》、《血战居庸关》、《南口迂回线上》等战场通讯，赞扬中国守军英勇杀敌的事迹，激励全国人民抗战到底的斗志。
1938年春，罗芳珪团参加了著名的台儿庄战役，在徐州会战中壮烈殉国，国民政府为表彰罗芳珪的功绩，追谥为陆军少将，入祀衡阳南岳忠烈祠。1988年5月，中华人民共和国民政部追认为烈士。