出生于农民家庭。1908年，在高阳县衙任缮写员。1912年，投笔从戎，参加冯玉祥部队。1914年，任冯部陆军第十六混成旅一团三营连长，驻陕西。1915年，入四川，后转战驻扎河北、江西、陕西、河南等地。曾任陆军第十一师步兵二十一旅旅长、陆军三十师师长。1925年，任冯部国民军第一师师长。1926年，兼任陇南镇守使。同年夏，率部参加与直鲁联军张宗昌等部在南口的战役。1927年6月，冯部改称国民革命军第二集团军，他率部出潼关进河南。后冯部并入国民党军队，随军北伐，进攻平津等地。1929年，蒋介石编遣部队，排除异己，他退伍回乡。1930年，参加中原大战反对蒋介石。失败后冯余部改编为二十九军，宋哲元任军长，他任副军长。1933年初，日军进逼热河，二十九军奉命调至长城一带迎敌，他参加了长城抗战，给日军以沉重打击。长城抗战失败后，回驻张家口，兼任张家口警备司令。同年5月，日军进逼华北，冯玉祥响应中国共产党团结抗日的号召，在张家口建立察哈尔省抗日同盟军，冯被推举为总司令，他任察哈尔省代主席兼第一军军长。与吉鸿昌、方振武等部配合作战，收复宝昌、多伦等地。8月，抗日同盟军失败，被迫撤销，改任张家口公安管理处处长，一度到北京香山隐居，消愁度日，等待时机报效祖国。1937年初，应张自忠，冯治安、赵登禹等人邀请，出任二十九军副军长，兼军官教导团教育长、军训团团长。在军训团成立大会上，发表讲话：“日本不断侵逼我国，是我们的仇敌。抗日保国是军人的天职……我个人一定和大家一道拿起武器奋勇杀敌，为民族的生存而战斗，为国家的荣誉而献身。”“卢沟桥事变”爆发后，主张奋起抗战，反对对日妥协。立即由北京赴南苑驻军指挥部，召开全体将校会议，痛陈时局利害，他说：“国家多难，军人应马革裹尸，惟以死报国”。7月13日，与二十九军诸将领联名通电全国。7月27日是佟夫人生日，夫人电请他赶回北京家中，他复电：“国家多难，军务紧急，大丈夫应效马援，用马革裹尸还乡，家中事拜托你了，要孝敬好父母，教育好子女。”7月28日拂晓，日军集中机械化部队，与空军联合，向北平南苑、西苑、北苑发起全线进攻。日军第二十师团主力与华北驻屯军一部，在40架飞机配合下，从东南两面向南苑阵地进攻时，他不顾个人安危，亲临前沿阵地指挥督战。由于敌机猛烈轰炸，部队联系中断，当他得知军部已下达南苑部队立即撤回城内的命令时，即决定到大红门附近掩护收容，阻止无秩序的后撤，亲自在掩护阵地指挥。下午一时许，各部队撤退完毕，他自带卫兵向城内撤退时突与日军遭遇。在身陷重围，腿部中弹负伤后，仍激励官兵坚持战斗，奋勇杀敌，指挥大家转移。不幸又遭日机轰炸，弹片击中头部，伤势加重，当日壮烈殉国。1937年7月31日，国民政府追认他为陆军上将。1945年，抗战胜利后，北平市人民为了纪念这位在抗日战争中最早牺牲的高级将领，把北平南沟沿改为佟麟阁路。1946年7月28日，北平市政府将其遗骨移葬于香山风景区南的兰涧沟山坡上。中华人民共和国成立后，1979年8月7日，中共北京市委发出通知，追认其为抗日阵亡革命烈士。北京市人民政府拨出专款修复了佟麟阁将军墓。