1892年10月29日出生于农民家庭。
1912年北洋备补军左路前营管带冯玉祥在河北景县募兵,佟麟阁应募 ,开始军人生涯。
1913年任冯玉祥旅第一团排长。
1914年任冯玉祥旅第一团第三营第二连连长驻防陕西。
1918年2月任16年佟麟阁任混成旅第一团副营长,后升任二营营长。
1922年10月佟麟阁调任第15混成旅(旅长宋哲元)第一团团长。
1924年佟麟阁任第25混成旅旅长。
1925年佟麟阁任国民军第1师师长 ,次年 ,兼陇南镇守使。
1927年4月底,冯玉祥部改编为国民革命军,第二集团军,作命佟麟阁为35军军长。
1929年南京国民政府召开整编会议,冯玉祥第二集团军改为第二编遣区,辖12个师,佟麟阁任30师师长,后调任为20师师长。
1931年任第二十九军教导团长兼张家口警备司令 。
1932年夏未,第29军军长宋哲元兼任察哈尔省主席。佟麟阁担任察哈尔省警务处长,兼领省会张家口公安局长。
1933年5月佟麟阁任察哈尔省政府代理主席、察哈尔民众抗日同盟军第一军军长,参与收复多伦等地。
1933年8月,冯玉祥通电下野,察政由宋哲元主持,佟麟阁任察哈尔公安管理处处长。
1935年冬,华北局势恶化,在日本的压力下,中央军退出华北,冀察两省中国军队仅剩下二十九军 。佟麟阁在此危难时刻,出任二十九军中将副军长兼军官教导团团长,驻北平南苑。
1937年卢沟桥事变爆发后,南苑是日军重兵进攻的主要方向,在敌密集炮火之下,佟麟阁与第132师师长赵登禹誓死坚守,指挥部队英勇抗击。佟麟阁被敌机枪射中腿部。
1937年7月28日,遭日本飞机袭击,头部受重伤 ,英勇殉国,时年45岁。他是抗日战争中殉国的第一位高级将领。
1937年7月31日,国民政府追赠为陆军上将。遗体收殓交回北平城后,隐姓埋名,寄厝于雍和宫附近柏林寺。方丈保守寄柩密,直到抗战胜利。