由于喜峰口是石头山，无法构筑掩体工事，守军在日寇大炮猛轰下伤亡惨重。有勇有谋的赵登禹在3月11日夜，派出两个团，并亲率其中一个团，出潘家口绕至敌后，去夜袭敌炮兵阵地。赵登禹亲自挥刀上阵砍杀，两口价值180块银元的战刀均被砍缺了刃口，左腿在战斗中又负轻伤。此战砍杀鬼子500余名，炸毁大炮18门，取得了自“九一八”事变以来的首次大胜，史称“喜峰口大捷”。战后，赵登禹因功升为132师师长，又于次年提升为中将。

　　1937年7月7日卢沟桥抗战开始时，赵登禹正率132师在河北省河间县一带驻防。7月27日，赵登禹与他的老上级佟麟阁共同率部与敌激战。午后，佟麟阁在大红门以东中弹牺牲。赵登禹奉命率余部向大红门方向突围。下午，一贯冲锋在前的赵登禹在杀至大红门附近黄亭子时，遭埋伏在高粱地中的日军机枪扫射，中弹殉国。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39岁，长子赵学武只有4岁，长女赵学芬才2岁，次女赵学芳尚在母腹未出生。

 　　今陶然亭公园西侧的龙泉胡同，那时有座龙泉寺，以办理慈善教育而著称，旧址即今陶然亭小学。崇敬抗日英烈的老方丈，带领4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8年之久。抗战胜利之后，年仅10岁的赵学芬去龙泉寺祭奠时，老方丈安慰她说：“将军没有走，我常在夜间听到将军喊口令操练士兵。”　　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，赵将军灵柩于次日由龙泉寺起灵，运至卢沟桥以东2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，并沿用至今。

 　　1952年6月11日，经冯玉祥夫人、卫生部长李德全提议，毛泽东主席为赵登禹亲属签发了《北京字第捌拾号革命牺牲军人家属光荣纪念证》。文化大革命期间，赵登禹烈士的墓被红卫兵挖开，欲盗取“金银财宝”，一无所得后，砸墓而去，烈士尸骨无存。 　　1980年至2003年，北京市和丰台区政府又三次为赵登禹烈士墓整休扩建和立碑，并列为重点烈士纪念建筑保护单位。

 　　赵登禹烈士墓，紧临着京广铁路西道口铁路桥，每天迎送着过往的列车，就像仍在守护着北京的大门。