就在赵登禹部主力星夜向北平开进的时候，日军发动了对平津地区的总攻击。7月26日攻占廊坊，矛头直指南苑。当晚日军华北驻屯军司令委月清司向宋哲元发出最后通牒，令二十九军限时撤出北平。宋哲元连夜召集冯治安、张自忠、赵登禹、刘汝明等将领开会，表示坚决应战，决不屈服，“决心固守北平，誓与城共存亡”，并通电全国。27日正式答复日方，断然拒绝日本帝国主义的无理要求，誓与北平共存亡。
日军得到答复后，于27日傍晚向南苑进逼。南苑，南接天津，北扼北平，是古都的最后一道屏障。二十九军军部长期设在南苑，当时二十九军在南苑的兵力有三十八师不到一个旅，骑兵第九师的一个团和由二十九军副军长佟麟阁指挥的教导团、特务旅等，总计约5000人。由于建制复杂，这不多的兵力也难以统一指挥。当日军在27日开始向南苑进逼时，宋哲元才意识到局势的严峻，他急令赵登禹为南苑指挥官，与佟麟阁共同指挥南苑的防御作战，同时调兵增援南苑。据守在南苑准备与日军以死相拼的佟麟阁将军与赵登禹是多年合作抗日的老战友。在这最紧要的关头，两人在战斗的最前线相逢了。赵登禹满怀豪情地对佟麟阁说：“捷三兄，国难当头，是我们酬壮志、洒热血的时候了，我誓把南苑变成当年的喜峰口，让鬼子再一次尝尝二十九军大刀队的滋味。”
7月下旬，正当盛夏，夜色降临后，暑气却一点也没退去。赵登禹和佟麟阁冒着暑热，亲自到各阵地去察看军情，部署防御。南苑一带，是华北平原的末端，平川万顷，无险可据，而由于战事来得突然，大部分阵地连防御工事都没有构筑，只能依靠营地围墙做掩体。8日凌晨，日军对南苑发动了总攻。毫无阻碍的平原上，机关枪的火力密集得像*，二十九军遭到了重大伤亡。赵登禹与佟麟阁也失去了联系。但是二十九军的爱国官兵没有退缩，在猛烈炮火的袭击下，他们奋不顾身，以死抗敌，有的手抱z药向敌人坦克扑去；有的冲出阵地闯入敌群，把复仇的大刀砍向鬼子的头颅。枪战后是气壮山河的拼刺刀，拼刺后是拉响手榴弹与敌人同归于尽。赵登禹杀红了眼，冒着炮火，往来穿梭于各阵地之间，一面指挥一面与敌人拼杀。混战至中午，由于敌我强弱悬殊，日军已从南苑的东、西、南三个方向突破二十九军防线。
赵登禹一面苦战，一面忧心忡忡地打听佟麟阁的消息，下午传令兵报来了一个令他悲痛欲绝的噩耗，一向忠心耿耿、誓死报国的副军长佟麟阁将军，在激战中身先士卒，已在大红门壮烈殉国了。“副军长!大哥‘，赵登禹无法控制自己的悲痛，仰天长啸。这时，他把跟在自己身边的30余名卫士叫到眼前，满怀激情地说：‘佟军长已经先我们一步走了，我们还有什么可想的，几年来天天喊杀敌报国，现在正是时候。”说罢带头冲向敌人。卫士们热血沸腾，宛若一支利箭，直向敌人的大部队射去。厮杀、拼搏，日军被震慑了，暂时停止了攻击。这时指挥部传下了全体守军向大红门一带集结的命令。赵登禹一面安排在撤退途中注意寻找佟麟阁将军的遗本，一面带头向大红门冲杀。日军窥出我军意图，抢先用机枪封锁退往大红门的要道。赵登禹为鼓舞士气，不顾部下劝阻，始终坚持在汽车上指挥，这无异于把自己暴露给敌人。当车子行到大红门附近的御河桥时，汽车被敌人用密集的火力炸毁，赵登禹身受数伤，血染征衣。卫士劝他赶快退到安全的地方，他坚决不肯，反而带领敢死队向敌人反攻。激战中，一颗炮弹在他身边炸开，他的双腿被炸断了，剧痛伴着鲜血，他几乎昏迷。传令兵见他已不能行动，要背他后撤。他对传令兵说：“不要管我了！军人战死沙场原是本分，没有什么值得悲伤。只是北平城里还有我的老母，你回去告诉她老人家，忠孝不能两全，她的儿子为国死了，也算对得起祖宗，让她老人家放心吧。”说罢热泪滚滚而下，怒视着敌人，停止了呼吸，时年39岁。
南苑一战，二十九军有数千人在佟、赵二将军的感召下，为国死战，壮烈牺牲。日军也遭受了重大伤亡。南苑一战惊天动地，中国军队在佟麟阁、赵登禹主帅下，以气吞山河的壮举谱写了一曲中华民族抵御外侮的英雄诗篇。宋哲元闻听赵将军牺牲，捶胸大哭：“断我左臂矣，此仇不共戴天！”
7月31日，国民政府追赠赵登禹为陆军上将，其生平事迹，宣付史馆，以彰忠烈。抗战胜利后，应各界人士的要求，北平西城的北沟沿街被命名为“赵登禹路”。何基沣将军奉冯冶安将军之令，将赵登禹的忠骸迁葬