26日晚广安门战斗刚结束，香月清司即下达了进攻第29军的作战命令：“主攻部队第20师团，对中国第29军南苑兵营，发起攻击！驻丰台旅团主力，同时向南苑进攻！切断敌军向北平的退路！发动进攻时间，听候我的命令。各位将军，你们都是大日本帝国的勇士和功臣。为大日本帝国和天皇陛下，你们要勇敢作战，再立新的战功！”
28日8时，第20师团在飞机大炮支援下，对南苑第29军兵营发起进攻。飞机大炮轰炸，南苑兵营火光冲天，硝烟弥漫；营房燃烧，围墙倒塌。主攻部队第20师团由南苑东南角和西北角展开攻击。南苑守军第29军特务旅两个团、第38师114旅两个团及师部特务团、骑兵第9师三个团，以及高炮营、装甲汽车大队等共两万余人，仓促应战，处于被动挨打地位。通信设备被炸毁，联络中断，指挥失灵，部队各自为战，秩序混乱。
佟麟阁用电话向宋哲元报告：“我军南苑兵营被日军飞机、大炮轰炸。通讯设备被炸毁，联络中断，大批日军由南苑东南角和西南角，向兵营展开攻击。”
宋哲元说：“佟副军长，我命令你和赵登禹师长，立即率部抵抗！狠狠打击日本侵略者！”
“是！坚决执行命令！”佟麟阁放下电话，即令赵登禹率领第38师114旅两个团和师部特务团，抗击东南角之敌！他亲自率军特务旅两个团和骑9师一部，抗击西南角之敌！
赵登禹、佟麟阁立即率部抗击日军。枪声激烈，杀声震天，硝烟弥漫，陈尸遍地。守军伤亡惨重，军部命令佟、赵二人率部向北平方向转移，军特务旅1团殿后掩护。
佟麟阁率部转移，日军随后追击。机枪扫射，弹飞如雨。佟麟阁腿部中弹，
鲜血直流。随员上前搀扶：“副军长，赶快下去吧！”
“不要管我，快去杀敌人！”佟麟阁仍率部与敌苦战。
突然日机飞来投弹。炸弹在佟麟阁附近爆炸，弹片击伤头部，鲜血涌出。
“佟副军长！佟副军长！”随员扑到他身上。
佟麟阁无声地闭上双眼，佟副军长壮烈牺牲了，时年45岁。在场官兵泪水如泉……
赵登禹率部转移，在大红门附近遭到日军截击，腿部和腹部中弹倒下，鲜血
喷涌……
传令兵刘童扑过去：“师长，我背你下去！”
赵登禹：“不要管我，北平城内还有我老母亲。你去告诉她老人家，忠孝不能两全，她的儿子为国牺牲了，对得起祖宗呀！”说罢慢慢闭上双眼，也英勇牺牲了，时年39岁。
“师长！师长！”刘童放声痛哭，官兵们热泪盈眶……
宋哲元、秦德纯、张自忠、冯治安、张维藩，正在军部商讨战事。
骑9师师长郑大章飞马来报：“军座，南苑战事十分不妙！敌人以十多架飞机、数十门大炮轰击。我军伤亡惨重。骑9师第2旅伤亡一半，另一半已退守固安。南苑已不可保了！佟麟阁副军长、赵登禹师长，都壮烈牺牲了！”
宋哲元忽地站起来：“啊！他们俩都牺牲了？”
郑大章：“是！都牺牲了！”大家都惊呆了，满脸悲凄。
宋哲元顿足大哭：“断我佐臂，此仇不共戴天呀！”
稍镇静后，宋哲元说：“局势既已如此，捷三、舜臣不幸牺牲，看来平津也难守住了！咱29军已是别无选择，只有退往保定再图良策。蒋委员长也来电报，再次催我移驻保定指挥。为照顾全局和长远利益，我决定离开北平前往保定，再作下一步打算。”
南苑激战时，已进到涿县地区的第132师第1旅和第2旅，在师长赵登禹连电催促增援的紧急关头按兵不动，贻误了战机。至下午1时，南苑战斗结束。