1932年，日本帝國主義繼占領中國東北三省，又舉兵侵犯熱河，察哈爾以及長城各關隘，中央軍一味的避戰退讓，激起全國人民的極大憤慨，紛紛要求出兵抗戰，是年十月馮玉祥急忙離開隱居的五台山，準備抗戰，北方各軍亦紛紛開赴長城各關口進行抵禦，馮玉祥適應全民抗日的激情，於1933年5月26日在張家口發起組織成立了“抗日同盟軍”。馮自任總司令，率部開往熱河喜峰一線和日軍幹起來，其他北方軍隊、各界民主愛國人士、愛國學生和廣大群眾，都紛紛響應，誓死抗戰，保衛疆土，大有驅逐日寇出中國之威勢。孫殿英為洗雪本人出自低賤和所率軍隊名聲不佳的恥辱，毅然決定響應馮玉祥建立抗日同盟軍的號召，參加了抗日陣營。
孫殿英的熱河抗戰，不久即在蔣介石的掣肘和暗中打擊下，馮玉祥的抗日同盟軍一道宣告失敗。
1937年7月7日盧溝橋事變爆發後，全國再度掀起了抗日熱潮，蔣介石在民族抗戰浪潮推擁下，不得不轉向抗日，孫殿英被任命為冀察遊擊隊總司令，率部由冀南向山西晉城一帶抗敵。其時，中央共產黨領導的紅軍，八路軍一二九師劉伯承，鄧小平部，由陝北輾轉來到晉東南，與孫殿英部相會於山西晉城，因此時孫殿英和部下已有抗日之誌，所以和劉、鄧部隊相處得極為融洽，雙方曾在晉城城內大廟前戲台上，聯合舉行了多次抗日宣傳慰問演出。舞台上下，抗日必勝的口號此起彼伏，兩軍官兵熱血沸騰。孫殿英見一二九師槍枝彈藥缺乏，主動在自己部隊拿出一些慷慨贈予劉、鄧部隊。經過一個多月相處，孫殿英和部下同劉、鄧部隊建立了較深的感情，產生以後若幹年內兩軍互不相傷的友誼，這段友誼，是在國共合作抗日之時。
在晉城駐守期間，孫殿英部同八路軍一二九師劉、鄧部隊，共同參加了1938年春反擊日本駐太原香月師團進攻晉東南的戰役，並在中條山下合力挫敗了日軍香月師團的進攻，保住了晉東南地區。這次史稱“中條山戰役”的勝利，使日軍被迫退出長治一帶，縮回太原，老巢不敢再行擊。
中條山戰役以後，孫殿英遊擊總隊奉命調往河北省武安涉縣一帶駐防，在這期間，曾與日軍交戰過幾次，由於官兵作戰勇敢，不畏強敵，受到第一戰區司令衛文煌的通令嘉獎。
後孫殿英又有幸認識了軍統頭子戴笠。因兩人出身經曆相近，故一見麵便氣味相投，一拍即合。戴笠便引孫殿英赴南京謁見蔣介石。盡管蔣介石、宋美齡夫婦幾年前就接受孫殿英在東陵盜出的寶物，但和孫殿英麵對麵見過就未有，這是第一次。
蔣介石見了孫殿英讓坐，孫殿英不敢坐，給叫多次了，才坐了半畔屁股，表示見了大人物很局促。蔣介石瞪著孫殿英從頭瞧到腳，然後慢吞吞地說出：“老殿，你很能幹，有作為，就是你過去的曆史不太清白，趁抗日救國之機，好好地洗涮一番，以後不要亂來，有困難找我。”蔣介石這一說，可把個孫殿英驚出一身冷汗，立即站起來拜倒在地說：“我過去沒有找到親爹親娘，這次總算找上親爹親娘，走上了正道，從此忠心不貳，委員長要我生就生，要我死就死，決無異心。”話未說完，蔣介石忙命人把他扶起來，含笑連說幾聲好好。第二天就給新編第五軍軍長的任命狀。
抗戰勝利後，蔣介石急欲和共產黨領導的軍隊爭奪勝利果實，孫殿英接到了國民黨軍委會新的任命，將原新編第五軍番號撤銷，其部改為國民軍中央第三縱隊，孫殿英為縱隊司令，轄第五、第六兩個總隊和三個獨立團。改編後的孫殿英遂將所部調到平漢鐵路沿線駐紮，並配合國民黨北上部隊接收沿線各縣區的財政大權。
1946年2月中旬，蔣介石親臨豫北前線，向各路將官麵授機宜，再次給予關照，當眾和孫殿英合影留念，以抬高孫殿英身份，讓各路軍官改變往日對孫部之成見。孫殿英對此感激涕零，遂下定決心要對蔣介石追隨到底。
孫殿英最後的歸宿
1946年4月，孫殿英調往豫北平漢鐵路的湯陰城駐防。1947年，全國各地的解放軍已開始由戰略防禦轉為戰略進攻，並在華北戰場上取得了輝煌的戰果。到1947年3月初，解放軍開始調集重兵圍攻湯陰，力在盡快拔除國民黨中央軍設在豫北的這個重要據點，為全麵進攻河南打開通道。