右翼部队在7时30分开始炮击南苑东南角，炮兵第三大队大部协同实施步炮协同作战。在8点40分逼近中国守军第一防线，9时20分左右，迫近南苑兵营阵地。第八十联队在高粱地的小路上展开攻击，最先攻入南苑的是第八十联队第一大队第二中队。
日军右翼部队在10时夺取南苑东南角，遭到兵营内中国军队的反击，日军经过苦战后被击退。日军右翼突入部队若援助左翼，可能获得更有效的战果，但右翼部队的无线通信机真空管故障，导致和司令部的通讯中断。攻击开始后，日军第二十师团曾派司令部副官前往确认其攻击状态，以后只能依据枪炮声来推测其状况。
日军左、右翼部队的突入时间相差了3个小时，其原因是二十九军鉴于前夜团河行宫战斗，将优势兵力置于西南角，而东南角的兵力相对弱势。再者早上日军轰炸后，压迫多数兵力转移到西南角阵地，因此国军在西南角顽强抵抗到最后。
攻占南苑后，日军第二十师团在西红门集结兵力，下达“作命甲第五十一号”，命令第七十八联队第一大队留守南苑，在8月4日该大队复归联队。
南苑失守后，北平城内留27旅固守。8月1日旅长率部出北平向西北方向突围，晚10时旅长石振纲、619团团长刘汝珍率官兵3000人突破北平城防线和清河、马坊日军警戒线向北突围。日军以步兵、骑兵大炮坦克联合追击，20多架飞机轰炸。突围部队在阳坊镇集结后至居庸关背侧与刘汝明暂编师会合。突围中全旅亡、伤、失踪1200多人，打死打伤日军一千多人。
28日，日军20师团和驻屯旅团对29军军部所在的南苑地区发动进攻，29军副军长佟麟阁和132师师长赵登禹在战斗中光荣殉国。
原来在9时30分左右，牟田口联队长在屋顶确认到少数中国守军陆续离开兵营向北方撤退，于是命令攻打槐房的第三大队转进天罗庄，截断我军退路。接到命令的第三大队长一木少佐随即令主力发往天罗庄，尖兵队到达天罗庄东南方，击退少数中国守兵，占领公路交叉口。10时40分，一木少佐抵达此处，以前他曾为演习来此要道调查过。在交叉口周围，日军以轨道线和两石碑等为掩体，从侧面射击撤退而来的小股国军士兵，随即日军第三大队先遣部队在主道上构置了阵地，以猛烈的火力伏击了撤离而来的国军骑兵部队，骑兵几乎全员战死。随后的国军步兵四处逃跑，都被日军射死。而日军一时弹药不足，为了节省子弹，要求士兵在近距离时进行有效射击，因此部分国军得以逃脱。
11时37分，日军第三大队第七中队和第八中队三浦小队及机关枪中队赶到。12点50分，第三大队机关枪伏击了一个轿车和两辆卡车，并且推进阵地，继续射杀撤退的国军士兵。
下午2时稍过，日军发现轿车内坐着一个穿着便服的人，已经死去。在车中有二十九军各种机密书信文件，据受腿伤的司机说，遇难者为二十九军一三二师师长赵登禹。
而从车中准备到道西侧的漕沟侧隐蔽而中弹战死的一位将官，被打扫战场的日宪兵队认为是二十九军副军长佟麟阁。在这条路上、周边田地及漕沟里，到处是国军士兵的尸体，惨不忍睹。后经北平宪兵队打扫战场时，推测此处死者有千多人。
在这种情况下，冀察当局首脑宋哲元决定，自己率领37师立即离开北平，命张自忠代理宋哲元的三个职务，继续与日军周旋，并留下赵登禹部独立27旅和张自忠部独立39旅，负责维护北平治安。28日当晚22时，宋哲元将37师撤出北平一事通知日军驻北平的日本特务机关松井机关，然后与副军长秦德纯、平绥铁路局长张维藩等一行数人出西直门，经长辛店赶赴保定。
南苑战役中日两军参战人数近两万人，日军动用了大量飞机、大炮、坦克等重型武器，双方死伤人员多。
日军组织驻屯军、关东军独立混成第一、十一旅团等一万余人，数十辆坦克、100门大炮、数十架飞机向北平南、西、北三面进攻。二十九军南苑4个步兵团主力5000余人，京津大学生军训团1500人，遭遇日军突然围攻。
这些学兵原来配有大刀，临战时才发了枪。二十九军在佟麟阁、赵登禹指挥下，进行了英勇抵抗。27日日军与驻团河二十九军发生激战，中国守军利用团河围墙和山坡反击。
团河之战中国军队阵亡约700人，损失战马150匹。28日凌晨日军向南苑驻军西南角、东南角进攻，二十九军进行了顽强抵抗。
二十九军由南苑向大红门转移时，遭遇日军袭击，中日两军在大红门一带进行了激烈的战斗。枪声、炮声响彻天空，硝烟弥漫，两军短兵相接，杀声震天。军训团在冯玉祥长子、共产党员冯洪国的带领下，杀敌400余人。
28日中午，佟麟阁、赵登禹率领部队向北转移，在大红门陷入日军的包围圈。佟麟阁立即组织部队突围，不幸被敌机枪子弹打中右腿，他骑上战马继续奋勇冲杀。由于敌机猛烈轰炸，各部队联系中断，直到遇见传令兵，才知道军部已下达“南苑各部队立即撤回城内”的命令。
佟麟阁决定用青纱帐作掩护，率部从小路向城内行进，他站在凉水河北岸的九龙山高岗上指挥部队撤退。
下午一时左右，当他行进至时村东南时，一群敌机飞来助战，对二十九军将士进行低空扫射，佟麟阁头部中弹，血染疆场，以身殉国，时年45岁。
佟麟阁牺牲后，他的副官高洪锡等计划抬着佟麟阁的尸体送回城内，刚要行动，几架敌机又来扫射轰炸，只好把佟麟阁的尸体就地掩藏起来。
赵登禹乘坐小汽车行走在大红门黄亭子时多处中弹，壮烈牺牲，时年39岁。
南苑战役中国军死伤5000余人，少数军人逃到城内，军训团只有600人逃到城内或保定。南苑至大红门一带尸横遍野，死马横卧，血染大地。战后红十字会清理死尸398具，这些尸体只有地点，没有姓名等信息，当时就地埋在壕沟。
日军遭到二十九军的反击，受到重创，也损失惨重，在进攻南苑驻军军营时踩上地雷，伤亡较大，日军共伤亡1300多人。
