1936年7月28日，佟麟阁任副军长的国民革命二十九军遭受日军猛烈攻击，在卢沟桥一带，佟麟阁和132师师长赵登禹率领部队同敌人展开殊死搏斗。在组织部队突围时，佟麟阁腿部受伤流血不止，他不顾下属的劝阻依然坚守阵地，头部再次受伤，最终因失血过多而壮烈牺牲。
1892年，佟麟阁出生河北高阳县一农民家庭，因舅舅是教书先生，得以习读四书五经。17岁时在县署谋得一笔帖式职位，赚点薪酬补贴家用。期间和农家女子彭静智结婚，彭静智在文革当中被迫害致死。
1911年11月，佟麟阁投入冯玉祥麾下，不久成为哨长。“廊坊起义后”，佟麟阁担任第一团第一营副营长，他带兵常以"饿死事小，失节事大"和"真爱民，不扰民"的道理，勉励该营官兵，严守军纪，同甘共苦，共度难关。他还带领全营兵为信阳城区，翻修街道，两旁植树，造福于民。
1924年，佟麟阁升任陆军第二十五混成旅旅长。第二次直奉战争中，冯玉祥发动北京政变，1924年10月22日夜，冯玉祥将军从热河前线班师回京，在胡景翼、孙岳部配合下，发动北京政变，包围了总统府，囚禁了贿选总统曹锟，并请求孙中山先生北上主持国政。此后，冯玉祥组建国民军，佟麟阁任第四师师长。
1926年8月，冯玉祥所率官兵全部加入国民党部队，响应北伐。当时国民军杨虎城部被吴佩孚麾下杨振华围困西安已有八个月之久，眼看弹尽粮绝，朝不保夕。佟麟阁率国民军第十一师同吉鸿昌的第五军作为先头部队，击败刘振华部，解了杨虎城全军覆没危机。
1928年甘肃河州，佟麟阁十一师被回族系马忠英包围，为避免民族争端，佟麟阁处处避让导致部队受损。佟麟阁引咎辞职，回家休养侍奉双亲。1929年1月，佟麟阁被重新启用，任整编十一师师长，1930年，任新一军军长兼二十七师师长。
中原大战讨蒋失败后，佟麟阁和冯玉祥在峪道河过起了隐居生活。每天读书练字，打猎钓鱼悠闲自得。有时也去听听进步人士和共产党人的讲课。
1932年10月，冯玉祥到察哈尔和佟麟阁商议组织抗日同盟军事宜，佟麟阁听后异常兴奋，挥笔书写王昌龄的《出塞》诗句:
秦时明月汉时关，万里长征人未还。
但使龙城飞将在，不教胡马度阴山。
以示决不准许日军跨越长城一步。
1933年，佟麟阁任抗日同盟军第一军军长，代理察哈尔省主席。他同吉鸿昌所部对日伪军发起攻击，先后收复康保、宝昌、沽源，复多伦等地，并击毙日伪军千余人，深受军民爱戴。
前有日军，后有蒋介石的军事压迫，抗日同盟军腹背受敌，最终夭折。佟麟阁再次隐退，后在宋哲元、赵登禹、张自忠等邀下出山担任二十九军副军长。
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。佟麟阁和赵登禹以身作则，正如他所下命令一样没有后退一步，他们把一腔热血撒在了卢沟桥。
1937年，国民政府追赠佟麟阁为陆军上将。毛泽东同志对佟麟阁的献身精神给予很高的评价。他在1938年3月12日延安纪念孙总理逝世十三周年及追悼抗敌阵亡将七大会上的演说词中说佟麟阁等人"无不给了全中国人以崇高伟大的模范"。
1979年8月1日，中共北京市委统战部发出通知，定佟麟阁为抗日阵亡的革命烈士。北京市人民政府为佟将军修墓立碑，一米多高的汉白玉碑上镌刻着"抗日烈士佟麟阁将军之墓"十一个黑色大字。