1924年(民国13年)10月北京政变后，佟麟阁任国民军第1军第11师步兵第21旅旅长。1925年(民国14年)7月，升任西北军第11师师长。1926年(民国15年)南口大战中，佟麟阁在要害之处同奉军激烈战斗，勇冠三军。

　　1926年9月五原誓师后，佟麟阁随冯玉祥加入国民革命军，参加北伐。1927年(民国16年)任甘肃陇南镇守使兼代理甘肃督办。冯玉祥被任命为国民革命军第二集团军总司令后，佟麟阁被任命为第11军军长。佟麟阁部被回族的马仲英军包围，损失很大，为北伐不能作出了贡献。

　　1928年起，佟麟阁历任国民革命军第二集团军第35军军长、暂编第11师师长。1928年北伐结束后，冯玉祥同蒋介石发生对立，佟麟阁同蒋军交战，最终败北。其后，佟麟阁担任宋哲元领导的第29军的副军长兼军官教导团团长。1933年(民国22年)长城抗战中，佟麟阁辅佐宋哲元进行战斗，取得喜峰口大捷，虽然最终长城抗战败北，但获得中国国内舆论赞赏。

　　1933年5月，冯玉祥在张家口组成察哈尔民众抗日同盟军，佟麟阁参加，被任命为第1军军长，兼代理察哈尔省主席。其后，由于蒋对冯施加压力，同年8月冯下野。佟麟阁回到宋哲元手下，最终还是下野。

　　1936年(民国25年)，佟麟阁重新出任第29军副军长兼教导团团长，驻扎南苑(今位于北京市丰台区)。民国26年(1937年)7月7日卢沟桥事变爆发，佟麟阁等第29军主要干部表示抗战。宋哲元对实行抗战难以决断，南京的国民政府中央在战斗开始时态度也较为消极。佟麟阁奉命负责守备南苑。7月20日，日军进军，同佟麟阁部开始交战。佟麟阁部的兵力、火力比日军太少，佟麟阁的抗战遇到很大困难。但是佟麟阁与第132师师长赵登禹坚守阵地，指挥二十九军继续抵抗。

　　1937年7月28日，佟麟阁奉命向永定门方向转移，途中再遭日军包围。佟麟阁在组织部队突围时，被机枪射中腿部;接着头部又再受重伤，流血过多而战牺牲。刚满45岁。