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。卢沟桥抗战开始时，赵登禹正率一三二师在河北省河间县一带驻防。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三十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，亲自率卫士三十余人，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，当车子行到大红门附近的御河桥时，车子炸毁，赵登禹身受重伤，警卫劝其立即撤退到安全地方，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。赵登禹临终时，他对流泪的卫兵说：“军人战死沙场原为本分，没什么可悲伤的。北平城还有我的老母，你去对老人说，忠孝不能两全，儿子为国牺牲，也算对得起祖宗。”当时，赵登禹年仅三九岁，长子赵学武只有四岁，长女赵学芬才二岁，次女赵学芳尚在母腹未出生。
崇敬抗日英烈的北京龙泉寺老方丈，带领四名僧人，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，将灵柩隐藏在寺中八年之久。
抗战胜利后，南京国民政府军事委员会副委员长冯玉祥及北平行营主任李宗仁等军政官员，于1946年7月28日烈士牺牲九周年之际，在北平中山公园举行公祭大会，并在会前向社会各界征集诔文、挽联。冯玉祥等人发出的《赵登禹将军抗战殉职九周年公祭征文启》，在列举了赵登禹的抗日功绩后，又说他“平生多轶事，人方之姜维斗胆云”。
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，赵登禹将军灵柩于次日由龙泉寺起灵，运至卢沟桥以东两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，并一直沿用至今。
