长城抗战后，第二十九军被调回察哈尔省驻防，赵登禹因战功卓著被擢升为一三二师师长，并被授予陆军中将军衔。1935年8月，第二十九军被调到北平地区驻防。1937年7月7日，卢沟桥事变爆发，日军进攻宛平城，第二十九军奋起反击。二十九军军长宋哲元任命赵登禹为南苑指挥官，坐镇南苑，与副军长佟麟阁一起负责指挥南苑的所有军事力量。7月28日，日军调集重兵并动用30多架飞机向二十九军阵地发起猛攻，由于敌我力量相差悬殊，我方伤亡较大，日军从东、西两侧攻入南苑，双方陷入肉搏战。此时，赵登禹临危不惧，亲自率卫士30余人，指挥二十九军卫队旅和军训团学生队与日军进行激烈的厮杀。这时，突然接到上级命令，要赵登禹指挥部队后撤到大红门一带。日军窥出赵登禹准备退到大红门的意图，抢先一步在南苑到大红门的公路两侧架起了机枪，以火力封锁道路。为激励将士，赵登禹乘坐车子指挥部队向大红门方向撤退，不幸的是在车子行到大红门附近的御河桥时车子的炸毁，赵登禹身受重伤，警卫劝其立即撤退的安全地方，赵登禹不肯，反而带领部队向日军反击。这时，一枚炸弹飞来，炸断了他的双腿使其昏迷过去。赵登禹醒来后，含泪向传令兵说：“不要管我，你回去告诉北平城里的我的老母，她的儿子为国死了，也算对得起祖宗，请她老人家放心吧！”说完就停止了呼吸。

    今陶然亭公园西侧的龙泉胡同，那时有座龙泉寺，以办理慈善教育而著称，旧址即今陶然亭小学。崇敬抗日英烈的老方丈，带领4名僧人，连夜出城在高粱地中寻得将军遗体，抬回龙泉寺装殓。为避开日寇耳目，将灵柩隐藏在寺中8年之久。抗战胜利之后，年仅10岁的赵学芬去龙泉寺祭奠时，老方丈安慰她说：“将军没有走，我常在夜间听到将军喊口令操练士兵。”

    因赵登禹生前说过“军人抗战有死无生，卢沟桥就是我们的坟墓”这样的誓言，1946年7月28日中山公园公祭大会之后，何基沣奉冯治安之命到北平将赵登禹将军和二十九军抗日烈士的忠骸由龙泉寺起灵，迁葬于卢沟桥畔以东2公里处的西道口山坡上安葬。

    1946年11月25日，当时的北平市长何思源(山东菏泽人)签发了《府秘字第729号训令》，将市区三条道路命名为赵登禹路、佟麟阁路、张自忠路，以纪念抗日英烈。新中国成立后，保留了这三处地名，并沿用至今。

    赵登禹牺牲后，7月31日，国民政府颁布褒奖令，追赠赵登禹为陆军上将。中华人民共和国成立后，中国共产党给赵登禹将军的家属颁发了由毛泽东签署的烈士证书。毛泽东同志曾高度评价赵登禹将军等国民党抗日将领，称赞他们“给了全中国人民以崇高伟大的模范代表”。赵登禹将军在强敌面前临危不惧、英勇奋战、血洒疆场的事迹永远值得中国人民怀念。