1937年7月28日清晨，日军陆军与空军协同作战，向我宛平城、八宝山、南苑等二十九军驻守阵地开始进攻。日军进攻的重点在南苑军营，投入步兵3个联队、炮兵1个联队、战机30余架，共约4万余人，从3个方向进攻。
日军根据汉奸潘毓桂提供的情报，首先集中火力猛攻南苑军营南面的军训团学兵据守的阵地。因为这里是中国守军的薄弱环节，这些学生军队都是平津各大学、中学的学生，他们一腔热血为了保家卫国第一次上战场，很多人连枪响要卧倒都不懂。
日军先以猛烈的炮火猛轰学兵据守的阵地，许多学兵倒在血泊中。随后，日军冲向南苑被轰塌的的围墙。令日军没有想到的是，他们在这里踩响了连片的地雷，死伤惨重。日军突入学兵们据守的阵地中。残存的学兵们宁死不屈，与日军展开白刃战，以10条命换1条命的代价，和日军拼刺刀。他们虽然伤亡10倍于日军，牺牲几百人，却没有后退。佟麟阁率军官教导团与卫队旅一部挥舞大刀，赶来增援。他们最终把日军赶出了军营。
7月28日上午8时，日军在炮火掩护下，对南苑发动了第二次进攻，遭到了中国守军主力部队的顽强抗击。佟麟阁副军长、赵登禹师长亲临前线指挥。军训团的男女学生与二十九军官兵并肩战斗。日军恼羞成怒，出动战机对南苑狂轰滥炸。第二十九军缺少重武器，更几乎没有有效的防空武器。南苑只是建立在华北平原上的一座军营，无险可守，多年建筑的工事迅速被日军摧毁。南苑形势危急。
7月28日下午1时，南苑守军接到第二十九军军部的撤退命令。赵登禹下令，全部守军放弃阵地，分南、北两路撤退：南路由孙玉田率卫队旅一部，过永定河，会合当地守军，撤往保定；北路由赵登禹、佟麟阁率领，经大红门，撤回北平城内。但隐藏在二十九军内的汉奸迅速将南苑守军的撤退时间、撤退路线等，报告了日军前线指挥官。
首先是赵登禹师长的黑色轿车开到南苑北部天罗庄时，遭到日军伏击，赵登禹的轿车正被1匹死马卡住车轮，进退不得，日军的子弹从四面八方射进车内，端坐在后座的赵登禹倒在日军的子弹下，年仅39岁。
下午4时，在右路指挥作战的佟麟阁副军长腿部中枪落马，鲜血染红了裤腿和鞋袜。为了掩护学兵突围，他拒绝部下的救护，依然奋勇向前，带领士兵们拼死搏杀，大义凛然地喊道：“情况紧急，抗敌事大，个人安危事小！”他的行动深深地感染了在战场上的官兵。不久，敌机又俯冲下来，只听轰隆一声巨响，佟将军头部受了重伤，在大红门的青纱帐里殉国，年仅45岁。
这是平津抗战最惨烈的一幕，军训团的学生兵1500多人中，活着回到北平的只有600人。南宛守军7000多人，伤亡达5000多人。