战伊始，赵登禹将军就遭到日寇伏击而死，此事的原因始终是个谜。有些作者分析，是汉奸潘毓桂从二十九军军长宋哲元处获得了情报，转给女间谍李香兰，又由李交给日本驻屯军，赵将军因此遭到伏击。而天津师范大学李惠兰教授主编的《七七事变探秘》，查证了日方资料，道出了前人所不知的秘密。
原来害死赵登禹的并非潘毓桂，而是日军暗藏在北平南苑的另一个眼线周思靖。此人系日本陆军士官学校第22期骑科毕业生，能讲一口流利的日语，又和冯玉祥的长子冯洪国、盛世才之弟盛世骐是同学，因此，回国后进入二十九军任少校参谋，担任日本顾问樱井的翻译。他的办公室配有电话，可直通二十九军领导人和日本军部。1937年7月27日，赵登禹率先行部队赶到南苑，当天宋哲元拒绝日方最后通牒，28日清晨急调赵登禹进城共商战事，日方也于28日拂晓对南苑进行轰炸。赵登禹在南苑作了最后的军事部署，然后安排士兵用网和树叶伪装汽车，在上车前嘱咐军训团大队长冯洪国率领学兵撤退。当时周思靖就站在一旁，将他们的谈话内容听得清清楚楚。赵将军离开后，周立刻回到办公室，用电话通知敌人：12点50分，赵登禹在前后各一辆满载卫兵的卡车护卫下，乘黑色小汽车向南苑北部的天罗庄方向驶去。
日军方对此情报极为重视，迅速集中兵力埋伏在赵登禹的必经之路——天罗庄附近。当赵的汽车驶入日军埋伏圈时，日军以重机关枪进行猛射，前后两辆卡车上的士兵全被射杀，赵将军乘坐的小汽车也被打成蜂窝状，司机的大腿中了多枪，因失血过多而死。赵登禹靠在车的后座上，身中数弹以身殉国，身边的副官头靠在横窗上，也中弹身亡，场面惨不忍睹。随后，日军从副官身上搜出了赵登禹的名片，在座椅上发现了蒋介石给宋哲元的电报、宋哲元给赵登禹的命令状、一三二师将校勤务表等重要文件，证实了车后座上的就是赵登禹。日军如获至宝，立刻将赵的遗体拉出来拍了照片，向上级邀功去了。下午，北平城防副司令田春芳和几位国际红十字会会员寻来，将赵将军的遗体装殓入棺，抬到北平古刹龙潭寺。