日本侵佔東北三省後，又緊鑼密鼓地策劃侵吞華北。平津地區是華北的政治、經濟、文化、軍事中心，而北平更是華北的首腦。七七事變前，北平東面有偽冀東「防共」自治政府，北面有偽蒙疆自治政府，東南面日軍強佔了戰略要地豐台，只有西南方向的盧溝橋，尚由宋哲元指揮下的第二九軍第三七師的一部防守。日軍若佔領盧溝橋，北平就成了孤城。因此，「盧溝橋之得失，北平存亡繫之；北平之得失，華北平原之存亡繫之；而西北、隴南線乃至長江流域，亦莫不受其威脅。」日軍對於盧溝橋的戰略地位當然也了然於心，因此千方百計的蓄謀奪取盧溝橋。一九三七年年初，在北平的日本僑民間，已經盛傳「七夕華北將重演柳條湖事件」。從一九三七年五月之後，駐豐台的日軍就開始不分晝夜地，在盧溝橋附近進行有預謀的軍事演習。他們的演習次數突然頻繁起來，由每半月一次增加到每三至五日一次，由白天演習漸至夜間演習，由虛彈射擊漸至實彈射擊。
身為第二九軍軍長、負責維持冀察政局的宋哲元，此時心裡卻十分矛盾。就其主觀願望而言，他是想抗日的，當年他的軍隊最早喊出了「寧為戰死鬼，不做亡國奴」的響亮口號。但是國民政府各派勢力的互相傾軋，和蔣介石「不抵抗」的大政方針，又使得他顧慮重重、進退維谷。為了保存實力和地盤，也為了進行新的戰前軍事部署，宋哲元選擇了暫時迴避的策略。一九三七年二月，他藉口為父親修墓和養病，離開北平赴山東老家休假，任命佟麟閣為代理第二九軍軍長。佟麟閣臨危受命，代綰軍符，負起軍事指揮之責，擔負第二九軍具體軍務。他深感責任重大，與其他將領們抓緊時間研究抗日對策。為了應對日軍的頻繁活動，他下令加強對北平市區、郊區的巡邏和城門的守衛，在盧溝橋一帶設立陣地，增加兵力，同時加強對沙崗的夜間警戒，密切監視日軍的行動，還隨時把前線情況報告中央、宋哲元和馮玉祥。
一九三七年七月七日下午，駐豐台日軍第三大隊第八中隊，在中隊長清水節郎大尉的指揮下全副武裝，來到盧溝橋西北永定河東岸的回龍廟大瓦窯附近，舉行軍事演習。這次演習與以往的空彈演習不同，清水節郎在演習當晚，親自給每一支步槍發放了三十發實彈，每一挺機槍發放一百二十發實彈。一場夜襲戰正蠢蠢欲動。晚上十點半左右，盧溝橋附近響起的連續機關槍聲，劃破了仲夏夜空，這些槍聲成了中日戰爭全面爆發的導火線。日本戰敗後，原日軍駐天津特務機關長茂川秀和，在戰犯審判中供認，七七事變的槍聲，實際上是他指示部下乘夜燃放鞭炮所致，旨在擴大兩軍衝突，可見發動盧溝橋事變是日方蓄謀已久的。十一時許，幾名日軍來到宛平城下，聲稱丟失一名叫志村菊次郎的士兵，要求進宛平城內搜查。
日方的無理要求，遭到第二九軍的嚴詞拒絕。八日凌晨，正當中日雙方僵持不下時，日軍第三大隊長一木清直，率部首先向宛平城外的中國守軍二九軍陣地展開進攻。與此同時，日軍在沙崗村北側小土山的炮兵，開始向中國軍隊開炮，協助步兵作戰。三七師師長馮治安、一一○旅旅長何基灃，接到堅決迎戰的命令，立刻指揮所部吉星文團，金振中營奮勇還擊，七七盧溝橋事變由此爆發。戰事之初，所有人都認為，這是幾年來大小中日摩擦事件的延續，不足為奇，誰都沒有料想到，會爆發一場持續八年的大戰。
七七事變爆發時，軍長宋哲元在山東，副軍長佟麟閣坐鎮南苑，負起了軍事指揮之責。為穩定大局，他迅速電請宋哲元回北平坐鎮，並當機立斷地以軍部名義向全軍官兵下令：「凡有日軍進犯處，都要堅決抵抗，誓與盧溝橋共存亡，不得後退一步。」七月十一日，為爭取時間增調部隊，日本提出談判，宋哲元也試圖用和談平息事態，中日暫時達成停戰協定。宋哲元對於日方所謂的「不擴大方針」等言論深信不疑，力主「和平」解決爭端。為表息事求和的誠意，宋哲元還斷然拒絕了群眾對二九軍抗戰的支持和慰勞。然而日本人卻玩弄政治欺騙和武裝進攻相結合的伎倆，行緩兵之計，一邊高喊「不擴大方針」，一邊在和談的煙霧彈下全國動員，調兵遣將，源源不斷地向華北增兵，擴大侵華戰爭。
佟麟閣是主戰派，認為只有痛打日寇才能使其屈服，否則仍會捲土重來。在南苑軍部召開全體將校
會議時，他指出：「釁將不免，吾輩首當其衝。戰死者光榮，偷生者恥辱。榮辱繫於一人者輕，而繫於國家民族者重。國家多難，軍人當馬革裹屍，以死報國。」、「服從命令是軍人的天職，如果中央下令抗日，如果我佟麟閣不身先士卒的話，你們就可以把我押往天安門，挖我雙眼，割我雙耳。」然而面對日軍不斷的進攻、調停、談判，中央只是下達了「應戰而不求戰」的軍令，這使第二九軍總是限於被動挨打的局面。
為加強保衛能力，佟麟閣還決定把趙登禹第一三二師調到北平。他深知這場戰鬥關係著中華民族的命運，第二九軍做為最前線的軍隊，責無旁貸地要為民族生存而奮勇禦敵。佟麟閣和二九軍戰士們愛國愛民的情懷，也贏得了北平民眾的尊重和讚歎。當時《北平時報》登載一篇文章說：「佟副軍長善治軍。二十九軍紀律嚴明，勇於作戰。而於老百姓則秋毫不犯，佟將軍訓練之力也。當七七後，軍士於烈日下守城，每一隊前，置水一桶，用開水以止渴。商民感激欲泣，競獻西瓜，堅卻不受。對老百姓恭而有禮，殺敵則勇猛無倫，堪稱模範軍人。」
就在佟麟閣忙於處理軍務、應對時局變化的緊張時期，他的父親卻得了重病。這個平常休假都要回家探望雙親的大孝子，此時此刻卻沒能回家探望父親。父親的病一天天加重，家人一直催他回去探望。佟麟閣做為指揮官，明白自己的職責所在，也深知戰局險惡，大敵當前，不能抽身回家，於是只好含淚寫信囑託妻子：「大敵當前，此移孝作忠之時，我不能親奉湯藥，請代供子職，孝敬雙親。」在國事和家事面前，佟麟閣以大局為重，選擇了前者。
一天，副官王慎之來找佟麟閣，他認為自己隨時有可能犧牲，而佟麟閣將軍是可能進城的，於是把多年積攢的存摺委託佟麟閣保管，希望他到時轉交給妻子。佟麟閣接過存摺沉思片刻後，從小皮箱中取出一個包裹，連同王慎之的存摺一併交給了他，說道：「你暫時都拿上，若你進城，就連我給你的一塊兒帶去，交給榮他娘（彭靜智），如果我進城再向你要。」說罷，佟麟閣還取下自己貼身戴著的十字架項鍊，托王慎之轉交給親人。十字架是佟麟閣的護身符，平時一直帶在身邊，此時此刻的舉動，說明他已經有了戰死疆場的決心。做為一個基督徒，他有殉道之心，做為一個中國軍人，他有殉國之志。
七月十四日，日軍對北平採取包圍態勢，並進犯南苑。佟麟閣嚴陣以待，親自指揮南苑守軍迎敵，帶領小部隊果敢出擊，擊退了日軍的猖狂進攻。取得小勝後，佟麟閣組織指揮人員總結作戰經驗，鼓舞和動員廣大官兵。整個二九軍將士們，在全國抗日聲浪的激勵下鬥志高昂，通電全國表示「保衛國土，義不容辭；慷慨就義，理所當然」。七月十六日，當佟麟閣、劉汝明、張樾亭、趙登禹、張維藩等將領們，正在商討抗日措施時，日本政府已經著手動員日本國內三個師團增派華北。
七月十九日，宋哲元回到北平，但仍一心避戰求和，希望用和解誠意感化日本人，還下令打開封閉的北平城門，撤去城前的防禦工事等。但和平注定是一廂情願，在日本的狼子野心面前，這些動作更顯徒勞。佟麟閣、馮治安等主戰派堅決反對宋哲元的行為，並表示「如敵來犯，我等決以死赴之」。佟麟閣極力懇求宋哲元放棄和平的幻想，否則將遺恨千古。他誠懇地對宋哲元說：「軍長如果真的有所不便的話，就請暫時返回保定，以安定人心。北平之事就責成麟閣。如果敵人變議來犯，我決以死赴之，不敢有負所托。」在佟、馮的勸說下，宋哲元最終決心抗敵，並且急調趙登禹第一三二師星夜來北平增強防務。
七月二十日起，日軍大兵壓境，捲土重來，展開新一輪瘋狂進攻。為增強官兵士氣，振奮軍心，佟麟閣與宋哲元商議武裝閱兵，以壯軍威。七月二十五日，宋哲元親臨南苑軍部，邀請各界人士參加閱兵儀式，鼓舞士氣。二十五、二十六日這兩天，日軍先後進犯廊坊、廣安門，中國守軍頑強抵抗後，因兵力不足被迫撤離廊坊。為了能夠一舉囊取北平，日軍在廣安門戰鬥後又重新部署作戰方針，決定把進攻矛頭直指二九軍軍部所在地南苑。此時的形勢已經使宋哲元徹底從和平的幻想中驚醒了，他致電軍政部長何應欽，稱「敵有預定計劃，大戰勢不可免」，主動請求支援。
同時，宋哲元下令第二九軍軍部撤出南苑遷往北平城內，任命三七師師長馮治安為北平城防司令部司令，調任第一三二師師長趙登禹為南苑地區臨時指揮官，另派戈定遠星夜赴保定，催促孫連仲、萬福麟等部北上協同二九軍作戰。主持軍部工作的副軍長佟麟閣，理應首先隨軍撤離，但謹慎負責的他，擔心南苑作戰面臨的嚴峻形勢，因此決定不隨軍撤往北平，主動請纓留守南苑，與趙登禹一起研究作戰策略，指揮南苑保衛戰。
2024專利防護中