1937年7月7日，日军在卢沟桥挑起事端时，由于兵力不足，畏惧第29军战斗力，无力大规模进攻第29军，遂从国内调集大批陆军、航空兵并配属战车、装甲车、野炮到华北，企图以军事侵占北平。
7月28日，日军增援部队全部到达北平周围，并按计划完成了兵力展开，北平市内日本侨民也撤退完毕。凌晨，日军开始向南苑进攻。
驻守北平的是第29军，第29军在长城抗战时大败日军，前不久又在卢沟桥挫败了日军的挑衅。但此时，第29军认为日军不会立即进攻，而准备不足，在高级军官中形成了主和、主战两派，直接影响了日后战局。
日军进攻前，有个叫潘毓桂汉奸，因与第29军军长宋哲元家是至交，得到宋哲元的信任，可以接触第29军的高级机密，把第29军的兵力调动计划告知了日军，并告诉日军第29军的薄弱阵地是驻扎在南苑缺乏实战经验的学生兵团驻地。
学生兵团是第29军于1936年12月在华北招收，全部初中毕业。虽然缺乏实战经验，但战斗精神却非常顽强。
进攻学生兵团的是日军第1联队第3大队，大队长一木清直。凌晨4时，一木大队到达学生兵团驻地，两军立即接火。
一木原以为学生兵没有战斗力，率领队伍直接往前冲，却没想到冲进了地雷阵。铺在地上的地雷被日军踩到接连爆炸，没有任何思想准备的日军被纷纷炸倒，攻击队形大乱。一木身边的炮兵协调员被地雷的爆炸声炸昏了头，以为是自己炮兵打出炮弹的爆炸声，对话筒大声呼叫“打近了，打近了”。
侥幸冲过地雷阵的日军被学生兵团团围住，失去了统一指挥。两军陷入了混战。
学生兵缺乏实战经验，虽然人数占多数，但无法与训练有素的日军对阵。战斗中，学生兵纷纷被日军刺倒，但始终没有一个学生兵后退，剩下的仍然与日军顽强拼杀。一木一直没有突破学生兵阵地。不久，佟麟阁率领增援部队到达，指挥混乱的日军立即被赶出阵地。
学生兵的顽强坚守为中国军队赢得了半天时间，事后，连一木都对中国学生兵表示了由衷的钦佩“面对面地死战也不肯退却”、“中国兵甚至负伤几次依然冲上来拼杀”。
第一次进攻被挫败后，日军又于上午8时发动了第二次攻击。
日军先以炮兵猛轰守军阵地，飞机也赶来助战。炮火把南苑第29军阵地炸成一片火海，通讯线路全被炸断，由于没有防空经验，事先没有构筑掩蔽阵地，当日军轰炸时，只能在战壕里挨炸。
日军的轰炸使第29军损失惨重，军心开始动摇。由于通讯线路被炸断，上级失去了对下级的掌握，下级也接不到上级的命令，陷入各自为战的境地。日军迅速占领了守军一线阵地，外壕外墙多处被日军突破。
日军在向二线阵地挺进时，遭到了第29军的顽强抵抗，寸步难行。
被守军挡住后，日军并没有急于投入部队继续进攻，而是下令轰炸机部队全部加强对南苑的扫射和轰炸，日军发现第29军防空火力非常薄弱，飞机肆无忌惮的飞临守军上空轰炸、扫射。这种方式非常有效，第29军阵地全被炸毁，人员伤亡大增。
经过二次飞机轰炸后，第29军已经陷入混乱。由于赵登禹被临时调来担任南苑总指挥，下面的部队还来不及熟悉，开战后又沟通不畅，各部队陷入了混战，赵登禹也无法掌握有力部队组织抵抗，赵登禹曾下令自己当师长的第132师第1旅和第2旅增援南苑，但这两个旅却按兵不动，贻误了战机。
此时，第29军阵地全被毁坏，人员伤亡巨大，已经无法继续坚守，只好下令撤退。由于通讯线路全被炸断，突围的命令全靠通讯兵传达，或通过部队之间互相传达。
各部接到撤退命令后，立即脱离阵地。但坚守在一线的部分学生兵与日军胶着无法撤下来。佟麟阁见状后立即率领最有战斗力的军官教导团侧击日军，试图吸引日军，接应学生兵撤下来。但已经太迟了，日军已经冲到了学生兵阵地前。学生兵勇敢的挥舞着大刀和刺刀跃出战壕迎击日军。双方展开了激烈的肉搏战。
拼刺刀是日军对每个士兵必须考核的科目，日军士兵每个都是拼刺刀的高手。而第29军的学生兵，入伍前没参加重体力劳动，体力远不如成年人，入伍刚半年，还只训练一些基本知识，即使第29军擅长的大刀，学生兵也还刚拿到刀没几天。
学生兵由于没受过专业的刺杀训练，刺刀刺过去刀尖乱晃，虚弱无力，即使刺中也不会造成致命伤。学生兵臂力、腕力远远不能跟日军士兵相比，偶尔两把刺刀碰到一起，被日军士兵一磕，学生兵的刺刀就脱手而飞。拿大刀的学生兵，对大刀还没摸熟，不能像第29军老兵那样轻松自如，相反，还有点“不顺手”。战斗中，一个日军士兵左突右刺，能轻松对付三、四个学生兵。
学生兵一个接一个被日军士兵刺倒，但让日军士兵惊叹的是，学生兵的战斗意志非常顽强。
学生兵虽然接二连三被刺倒，三四个合力拼一个也不是对手。但余下的就是不退，仍然奋力刺杀。
有的学生兵被日军刺中后，双手死死抓住日军士兵的刺刀，不让其拔除，给未被刺中的学生兵赢得时间。有的学生兵被刺倒后，即使口吐鲜血，也拼命爬向日军士兵身边，试图抱住日军士兵的双腿，让其他战友将其杀死。
在学生兵这种拼命的狠劲搏杀下，也不断有日军士兵倒地。
就在学生兵与日军惨烈搏杀的时候，佟麟阁率领军官教导团及时赶到，从侧翼杀入，一下子就冲乱了日军的攻击队形，日军慌忙撤退。剩余学生兵终于突围而出。
由于失去统一指挥，第29军撤退几乎自发组织，但后来慢慢汇集到一起，形成两部分。一部向南走，在永定河与外围守军汇合，撤到保定。另一部即军部主力向北走，佟麟阁、赵登禹都在这一路里，这支队伍非常庞大，由于没有统一指挥，又有大量非战斗人员，以致秩序混乱。佟、赵两人也因通讯中断而互不知情。
第29军部队撤退前，宋哲元下达的撤退计划已经由潘毓桂透露给日军，日军在撤退部队必经之地的大红门一带布置了大量部队，准备截杀第29军撤退部队。
下午4时，第29军撤退部队到达南苑。日军有意放过前面的骑兵，待步兵通过时，日军轻、重机枪立即开火。第29军士兵纷纷被打倒，赵登禹乘坐的汽车非常显眼，被日军重点射击。车子被打成马蜂窝，当场爆炸，赵登禹受伤，同车的几个副官当场死亡。
撤退的士兵在日军扫射下伤亡惨重，幸存官兵慌忙向高粱地突围，互相拥挤。由于没有统一的指挥，场面已经失控，逃窜中的士兵纷纷中弹倒地。
警卫人员冒着日军密集的子弹把赵登禹拖出车子，准备把他背进北平城治疗。但被赵登禹拒绝了，他坚持留下来指挥部队突围。他不顾满脸的鲜血，挣扎着站起来，一手提着驳壳枪，一手拿着大刀，战在路边大声命令部队还击。
就在赵登禹带伤指挥部队还击的时候，日军飞机飞来轰炸，扔下了大量的炸弹。其中一颗在赵登禹身边爆炸，巨大的爆炸力将将军两条腿炸断，身上也全是弹伤。将军身负重伤，不久就壮烈殉国，时年39岁。
赵登禹殉国的时候，佟麟阁也到达大红门附近。
佟准备在此收拢部队，向南苑反击。但刚到达，就被日军伏击。佟立即组织还击，顷刻间，就在他身边聚拢了1000 多人。佟正准备还击的时候，十几架日机飞来，佟立即指挥部队进入旁边高粱地。
刚进入高粱地，立即遭到一股日军伏击，由于佟身穿高级军服，成了日军机枪重点射击目标，很快就腿部中弹。但他不顾个人安危，指挥身边卫兵向日军射击。就在卫兵全力向当面日军射击时，另一股日军突然从高粱地里杀出。双方近在咫尺，立即陷入混战。佟麟阁头部、胸部接连中弹，壮烈殉国，时年45岁。
顷刻间，第29军两位高级军官阵亡。
第29军与日军的战斗也随着两位将军的阵亡而结束。
第29军南苑一战，损失近5000人，日军随着南苑撤退部队一路跟进。
因日军飞机轰炸，通讯线路早被炸断，军长宋哲元与南苑一带守军早就失去了联系。
当宋哲元正和部下商讨下一步计划时，从南苑撤回的骑兵师长郑大章衣衫不整的闯了进来，神色惶恐的说“佟麟阁副军长，赵登禹师长都已经阵亡，南苑官兵伤亡极重，我的骑兵师剩下不足一半。日军跟着追击，很快就会打到北平”。
宋哲元听后大吃一惊，在场人都知道“北平受不住了”。
当夜（7月28日），宋哲元撤离北平，29日，北平沦陷。
7月31日，国民政府颁布褒恤令，追赠佟麟阁、赵登禹为陆军上将。
佟、赵两将军是抗战以来牺牲最高级别的军官，两将军英勇抗敌被各界高度评价。毛泽东赞扬佟麟阁“给了全中国人以崇高伟大的模范”，赞扬赵登禹“神圣任务当中光荣地壮烈地牺牲了”。
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