1932年底至1933年初，日本出兵山海关，在蒋介石不抵抗政策下，山海关很快陷落。日军继续西进，沿长城点起了侵略战争的战火。热河危机，华北危机，全国人民群众强烈要求蒋介石政府派兵抗日，驱逐敌寇，恢复国土。在这种形势下，国民党当局不得不派军队前往长城一带抗击日军，北平军分会调驻华北各军包括孙殿英部，开赴前线与日军作战。孙殿英眼见华北各军大都纷纷开赴热河及长城关隘，也不甘人后，曾对人表示：“如若我驰骋疆场杀敌立功，不但能建功立业，更可一雪受他人歧视之辱。再说我殿英之师，一胜莱芜，二胜南口，三胜亳州，有常胜师之称，此次出兵定能将日寇打败！”不久，便率部奔赴热河抗日前线。
孙殿英遂将部队分为两路，一路以刘月亭师、杨子宣旅为主力，沿同蒲路经大同、张家口进入热河；一路则由孙殿英亲率，以丁綍庭师、杨明卿旅为主力，出东阳关，经邯郸沿平汉路北上，直抵古北口，进逼热河。两路军队在承德会合后，丁綍庭师、杨明卿旅即快速向北挺进，布阵作战。这时却正当国军汤祚福部战败，溃不成军，孙殿英急令丁、杨两部迎头冲杀。日军以胜利之师不可一世，全无作战准备，猝不及防被孙殿英的军队两面夹击。杨明卿旅冲锋在前，王遂庆旅从侧面腰斩，官兵久未临阵，个个精气旺盛，一举将日军击溃，稳住了围场西南的阵地。
长城抗战结束后，孙殿英率四十一军奉命从热河撤至居庸关以外的康庄、沙城、新保安一带，占有100多里地的铁道线，正好堵住了中央军进攻冯玉祥的去路。何应钦派刘健群去沙城见孙殿英，以察哈尔省主席相许，并以50万元作诱饵，令其北攻冯玉祥的抗日同盟军。孙殿英认为这是不得人心之举，便未从何应钦之命。此时，他既不想攻打冯玉祥落个骂名，也不想得罪“中央”断了后路。思来想去，决定以走为上策，于是便率部向西北开拔，到达了包头。
但包头是“九尾狐狸”阎锡山的地盘，老奸巨猾的“阎老西儿”挖空心思要撵走孙殿英。思来想去，阎锡山电呈蒋介石，保荐孙殿英任甘宁青三省屯垦督办。蒋介石同意将孙调往偏远的西北，遂即予以任命，促其尽速到职视事。孙殿英的参谋人员则顾虑较多，认为甘宁青一带是马家兄弟天下，且回民慓悍，恐难以应付，不可轻易西进。孙殿英听后说：“怕他什么！昔日刘邦曾以一亭之长而得汉，朱元璋乃一出家和尚尚且能建大明，我老孙而今兵精将勇，装备齐全，何愁不能打开西北的局面！蒋委员长的命令必须服从，咱们一定要去闯一闯！”此时的孙殿英自视为常胜之师，因此全不把西北“马家军”放在眼里。
议定西进之后，孙殿英即下令整队开拔，以杨明卿为前卫，杨克猷、魏曜功为左右翼，丁綍庭、刘月亭两个师居中，王遂庆为后卫。阎锡山见孙殿英开拔，不由暗喜，送来了武器弹药，促其速行。孙殿英，全然没有识透阎锡山的用心，他考虑的是宁夏素有“北国江南”之称，物产丰富，占据宁夏，再图西进，西北及大半个中国则唾手可得。
孙殿英率部一路西行，衰草凄凄，黄沙滚滚，落日孤悬，人烟寂寥，越走越凄凉。每到夜晚，狼嚎四野，枭啼孤树，令人不胜心寒，官兵哀怨声四起。刚进宁夏境地，却遇上了马鸿逵之子马继援部队，马军以逸待劳，未容杨明卿旅拉开阵势即冲杀上来，杨部第一团杜志恒奋力拼杀，左右两旅赶了上来，从两面包抄，几经厮杀，才始得胜利，但伤亡很大。几天以后孙殿英部抵达银川城下，将银川城东、北、南三面紧紧包围，用炮火猛攻。守城部队为马鸿逵部，凭借高厚城墙固守，孙军一连数日猛攻不下。马鸿逵一面电请蒋介石调兵增援，一面派人去兰州请朱绍良援救。远在山西的阎锡山却唯恐孙殿英不败，派人给马鸿逵出主意早日撤出银川城，陷孙军于城内，不战不和，时间一长便可拖垮孙殿英部队。蒋介石收到告急的电报，分别电令陕西的高桂滋、甘肃的朱绍良、马鸿宾等，速速增援宁夏，歼灭孙殿英部。
孙殿英尚不知自己四面受敌，面临被围歼之命运，命令部队猛攻银川城，经过5天激战，马鸿逵部撤出银川，孙殿英率部进驻城内。马鸿逵退出银川城后，便封锁了城四周的通道，孙殿英进城之后内无粮草、外无援兵，被围困起来。一个多月过去了，欲进不能，欲退不得，陷入绝境。一日，师长刘月亭主张将部队拉往草地，投土匪杨猴小，或可纵横一时，求条活路。孙殿英不愿如此，他说：“拉杆或可维持一时，但现在不是当年豫西的情况了，那时千八百人光棍一条，行动容易，粮饷也不成问题。而今这里百里无人烟，我们马匹少，官兵又多数有了妻室儿女，如何动弹得了！”他转个话题接着说：“自从我带领弟兄们从河南而安徽，从山东而河北、山西、热河、绥远，转战半个中国，不求多大名利，只求弟兄们在一起都能有饭吃。如今我不愿再落个匪名，更不愿弟兄们再落个匪名。”周围的人听了，皆低头不语，气氛很为沉闷。
面临困境，孙殿英的队伍已不似往昔那般戮力同心了。几天后，旅长杨明卿带领几个亲信趁夜骑马离开了银川城。4天以后，又有杨部的两个团长吴云川、杜志恒相继离去，还有一部分队伍投奔了土匪杨猴小，就连内侄魏曜功也跟了过去。
孙殿英众叛亲离，不堪收拾，急电阎锡山，恳求阎从中斡旋，从速派兵解围。阎锡山见孙殿英大势已去，乐得做个“君子”，派兵前往宁夏，接回孙殿英和他的残部，来到山西晋祠。这时孙部已经大半离散，整编编为一师，由刘月亭任师长，接受晋军卢丰年节制。随后蒋介石发来调令，命令该师赴江西“围剿”红军，到达抵江西时又散去不少人。至此，孙殿英苦心经营的队伍彻底完结了。
1937年7月7日，芦沟桥事变发生。这时，孙殿英在北平延揽了一些旧部，知名的爱国人士李锡九、牛心佛等向孙殿英晓以抗日大义，劝其高举抗日旗帜，集结抗日队伍，共赴国难。孙殿英表示允诺，不少东北流亡学生，北平爱国人士和青年学生纷纷来投，聚集了有300余人。二十九军在北平抵抗日军失败后，撤出平津，向冀南退却。孙殿英、李锡九、牛心佛等亦率人马南下，沿途不少爱国青年及老百姓加入队伍，到达满城时居然发展到千人之众了。
在保定，刘峙电呈蒋介石，委派孙部为冀察游击总队，孙殿英为司令。1937年底，孙殿英率冀察游击总队步行2000多里到达山西晋城时，已有官兵2万多人，仍驻四十一军昔日防地。1938年初，旧部杨明卿、任明启又分别带领部下来归。这时冀察游击总队以孙殿英为司令，张乔龄为副司令，冯养田为参谋长，梁朗先、刘曾若为秘书长，李锡九、牛心佛、李啸澜等为顾问，下辖6个支队，每个支队下辖3个大队，每个大队下辖4个中队。
1938年春节刚过，日军香月师团即向晋东南发动大规模进攻，晋城很快失守，孙殿英部向西转进至阳城、沁水。在阳城凤台古镇，孙部杨明卿和杨克猷的一、四支队与敌军遭遇，几经激战，击退了进犯之敌，保住了阳城、沁水一带阵地。不久，孙殿英部调往豫北、冀南的武安、涉县一带，分别与敌人战于河北的沙河、河南的济源及东西轵城，战况激烈，双方互有伤亡，最后孙部挫败进犯之敌，保住了黄河南北交通要道。在此次战斗中，孙部第九大队大队长张阎珂负伤，一中队长史振文、文书赵竹林、排长王中泰等阵亡。战后，战区司令长官卫立煌传令嘉奖了孙殿英。
南京失守后，为防止孙殿英这支杂牌部队被共产党八路军“拉”过去，蒋介石有意将该部改编为直属军委会的正规军队。但由于陈诚与何应钦等对孙殿英以土匪流氓视之，不予认可。孙殿英多方奔走，又东陵盗得的玉雕西瓜，通过孔祥熙转送给宋美龄。一番活动没有白费，孙部被改编为陆军新编第五军，孙任军长，邢肇棠任副军长，冯养田任参谋长，何明甫任参谋处长，郑铸久任军需处长，杨梓先任军法处长，魏星桥任军械处长，吉子高任副官处长，赵冬夫任军训处长；下辖两个师，师长分别为刘月亭、王廷英；此外还有两个独立团和两个补充团，总计10个团的兵力。
新五军编军后不久，有伪军吴朝汉反正来投。吴朝汉为伪治安军李福合部旅长，驻丰乐镇。吴为东北讲武堂毕业，为人有正义感，当了伪军之后一直有意率部反正，在第一战区军统人员徐靖远等人的带动下，决计脱离伪军，归附国民党军。1939年10月，吴朝汉以邀李福合到所部阅兵之机，将李干掉，率部3000多人反正，直奔林县而来。孙殿英闻知，即令刘月亭到观台接应，击退尾追之兵，安排吴部在林县驻扎。后来，吴朝汉与徐靖远等人在渡黄河时，所乘牛皮筏破裂漏水，葬身于黄河之中，而徐等人却无恙，暂六师即由黄宇宙代理师长。孙殿英大为感叹，“吴师长反了半天正，却只当了两个月的师长，实实可悲可叹！”一年以后，徐靖远、黄宇宙再渡黄河时，亦因皮筏漏水而葬身于黄河，孙殿英说：“这真是天网恢恢，疏而不漏啊！这帮人终于有今天的报应！”吴朝汉出事后，新五军官兵曾疑心军统在里面做了手脚，因此用同样的手法除掉了徐、黄二人。
1939年秋冬之际，河北省主席鹿钟麟、河北民军司令张荫梧制造磨擦招致失败，逃往林县以北新五军防地，八路军太行支队追击至林县。在鹿钟麟告急时，第一战区急调庞炳勋的四十军、范汉杰的二十七军渡过黄河，营救鹿钟麟。随后，这两支部队留了下来，是以在黄河以北晋豫交处驻有3支国民党军队，即新五军、四十军和二十七军。1941年初，这3个军被组编为第二十四集团军，由庞炳勋任总司令，孙殿英任副总司令。
军统加强了对新五军的控制，以唐佑樾为首的政工人员二三十人派到孙部，唐任政训处主任。孙部原政工人员大都是进步人士，其中还有中共党员，孙殿英秘密安排他们从速离开，沿太行山北上投奔了八路军。孙殿英对于新五军中的军统人员，表面上毕恭毕敬，照顾周到，但从不让他们插手自己的事情，所谓政训处实际上是个空架子。
在林县驻有4年多时间，孙殿英除去处理一些军务，就是打牌消磨时日，有时也对日军进行出击，多是小打小闹而已。有时，他也过问一些地方事务，和当地百姓关系还算不错。
1943年4月，日军向太行山发动了大规模“扫荡”。日军共计30个旅团的兵力，超出第二十四集团军兵力的两倍，企图一举将孙殿英歼灭。4月21日，日军分别向太行山南麓的水冶、鹤壁、邢门口、西掌、塔儿岗、庙口、鹿岭、横水等出口500多里的防线发起进攻，主攻方向为新五军据守的邢门口、十八盘，以3倍于守军第四师第十一团的兵力猛扑过来。第十一团团长为张式平，作战极为勇猛，面对敌人飞机重炮的轰击、步兵的猛攻，沉着顽强指挥官兵反击。一连击退日军10多次冲锋。日军见一时难以攻下，便集中炮火猛攻该团阵地，几乎将阵地翻了个过，全团牺牲极其惨重，官兵所剩无几。孙殿英闻知邢门口岌岌可危，意识到敌人的意图是攻取渔村新五军军部，决定军部转移。
4月21日傍晚，邢门口失守，孙殿英带领军部全体人员向关帝庙方向撤退。孙殿英身着士兵军装，骑着棕红战马，走在队伍的前面，后面是警卫及军部人员和家属孩子，约1000人左右。山路崎岖，加之是黑夜，行走十分艰难。时近三更，猛然听到“叭”的一声枪响，原来是走在前面的警卫团许志武部与南北寨的敌人接上火，敌人的机枪、六o炮向着这个方向猛射。双方激战一小时许，敌人以密集的火力封锁了山路，不能再向前走了，孙殿英命令向后转，顺原路返回。黎明时候，队伍来到了一个叫疙瘩坡的小村庄里停留下来。孙殿英将随行的将领幕僚们召集到一间漆黑的小石屋里，商议对策。议来议去，孙殿英觉得舍了大家自己逃命亦非善策，但面临绝境又想不出保全之策，于是决定请示蒋介石，希望能派飞机和援兵救他一次。孙殿英亲自向重庆军委会通话，汇报了战况，请求支援和行动指示。时隔半小时，重庆方面回话，大意是孙“可暂时附敌”之语，孙殿英深知此乃蒋之“曲线救国”的把戏，又无力扭转现况，乃声音嘶哑地说：“弟兄们，现在完了！我很对不住大家，对不住牺牲的弟兄们，更对不住全国民众！”屋内人皆无话可说。孙殿英又让派驻在军中的军统头目文强过目了重庆的指示，问他怎么办，文强说：“按照蒋委员长指示办就是了。”
4月23日早上，日军一架敌机俯冲下来，扔下一个小包，孙殿英让士兵捡起来，原来是个布包，上写有“告新五军将士书”字样，内有劝降书，要孙率部无条件投降，否则将他们全部消灭。孙殿英低下头，伤感地对作战处长李伯玉说：“请你代我宣布投降吧！”李伯玉派人传令停战，又派参议李国安举着白旗与日军接洽。双方谈了10余分钟，最后孙殿英在日军同意下将队伍带到附近的河西村。
几天下来，孙殿英唉声叹气，容颜憔悴，本来就有些佝偻的身体似乎更加松松垮垮。按照日军的安排，部队要转移到新乡，让他做动员讲话。他把帽子慢慢摘下，两眼一闭，老泪纵横，部下也纷纷落泪。孙殿英张口说：“大家不要乱动，也不要害怕，明天下山去新乡，路上要听从命令，不要离队。”不久，新五军人马在日军押解之下到达新乡。
在新乡孙殿英又遵照日本人要求，命令新五军在山上的部队全部下山，听候日汪调遣改编，孙殿英派人带信给第三师师长杨克猷、第四师师长张锡珂及各团团长，令他们到新乡集结，至此新五军全部投降了日军。
孙殿英降日不久，日军即令他对庞炳勋进行劝降。孙起初坚决不肯，说：“如今我已成为败将，再没有脸面劝别人投降，更何况庞总司令是我的上司，下级怎能劝上级投降呢？”最后在日军的软硬兼施下，孙殿英只得答应派一名副官带路，领着日军特务小队长田中彻雄及11名士兵来到林县深山中，寻找庞炳勋的下落。他们在山中碰到一个给庞炳勋送饭的小孩，得知了庞炳勋的下落。5月4日深夜，他们到达庞炳勋躲藏的地方。庞陷于四面被围中，知道自己无力再战，只得同意与日本人到新乡。5月6日，庞炳勋到达新乡，与孙殿英见面之际，二人没有说话，抱头痛哭。随后，庞炳勋部队被改编为伪军，庞任伪第二十四集团军总司令，孙殿英兼任副总司令，他们均率部驻在豫北一带。
安置完毕，庞孙即按照汪伪南京政府的要求，通电全国，说明自愿参加所谓的“和平运动”。一时间激起了全国人民的愤怒，到处响起一片斥骂之声。一日，孙在伪军部吃早餐时对众官佐说：“我还是那句话，只要大家信得过我孙麻子，咱们就在一起，祸福相共。我决不会辜负大家，也不会把大家拉进深渊。现在到了这个地步，咱们只能忍耐着点，今后总会有出头之日。”
孙殿英对于不愿在日伪方面干事的人，送些盘费，遇机会派专人送他们过黄河。他对这些人说：“如今我已是下了浑水的人，绝不会勉强别人也下浑水，更不愿连累朋友。谁愿走，我送你们走，不愿走也不愿在这儿干事的，照样管吃管喝，不会受到亏待。我并不希望你们说我孙某如何如何好，只求少骂我两句，我也就心满意足了！”
1945年8月15日，日本宣布无条件投降，中国八年艰苦抗战终于取得了胜利。新乡城内，大街小巷，锣鼓喧天，鞭炮齐鸣，一片欢腾，到处挤满了人群。这个时候，来了一位接收大员叫朱柏年，自称是国民党中央派来的豫北特派员，趾高气扬地命令孙殿英派给他—连士兵担任警卫，随后他带着这一连人到处抓汉奸、查封没收敌产。孙殿英到郑州见第十一战区司令长官孙连仲时，孙连仲给他国民党中央的指示是：“案奉中央军委会命令，驻防各地的部队，要守防待命，维持地方治安，严惩汉奸……等因奉此，仰该新五军知照，依照执行，切切此令！”孙殿英回去后即将朱柏年看管起来，令士兵将由朱柏年查封的封条，统统又重加封条。孙殿英又将日伪中国联合准备银行新乡分行查抄，将其积存的“大龙票”没收，派人乘飞机运往北平伪联合银行总行，兑换了数百两黄金——孙殿英有借机发了一笔“接收”的横财。
孙殿英部被改编为国民党军第三纵队，辖有两个总队，第五总队杨克猷部和第六总队王遂庆部；孙殿英又将编余官兵又编成3个独立团，即许志武团、戴世禧团和郭平甫团，均调集到铁路沿线各县。
1946年2月间，蒋介石抵达豫北前线，在新乡接见各军长官。孙殿英向蒋介石陈述了往日下山的苦衷，委婉陈辞，恳请蒋介石代其向各军洗雪“汉奸”之罪名。蒋介石既不能答应孙殿英的要求，又不能直言相拒于是提议与孙殿英等人合影留念，以示同心同德，当即拍了一张6寸合影，蒋介石居中，孙殿英在其左面，后面是王仲廉和陈布雷。自此以后，孙殿英觉得自己又与蒋介石亲近了不少，地位也有所提高，对蒋介石的反共内战命令言听计从。
1946年4月间，孙殿英第三纵队调至豫北平汉路上的汤阴县城。1947年3月，解放军调集重兵围攻汤阴。解放军参战部队是第三十六纵队姚一鸣部。姚一鸣在开战之前派人给孙殿英送去劝降书。孙殿英看完信后，自恃兵强马壮，答复说：“等我打完这3000发炮弹再说，现在不谈！”10天左右，经过多次战斗，汤阴外围据点鹤壁、宜沟以及城外村庄，统统被八路军占领，孙殿英残部被压缩进汤阴城内及四关。孙殿英的悍将刘月亭、杨明卿均已负伤，官兵亦伤亡严重。孙殿英急电新乡第十一战区司令孙连仲请援，孙又派黄镇中师、李守正旅北上增援，行抵铜山附近，围攻汤阴的解放军第三十六纵队。忽然之间，又闪电般迅速撤退了。原来，三十六纵队转而对前来增援的黄镇中师、李守正旅进行了围歼，并缴获了大量武器弹药。
汤阴突然撤围，孙殿英部虽然松了一口气，但却疑虑重重。为此，他又求助于庙道会祖师爷，设祭布坛。一日，在汤阴南大街城墙下的广场上，庙道会的大师兄谢鸣武与王尚文按惯例摆好祭坛，孙殿英亲率道徒官佐士兵千余人，齐跪广场，焚香祈祷。只见王尚文在云烟缭绕下说了两句谶语：“河黄河黄，义师不亡；江长江长，武运久长。”孙殿英闻知，将信将疑，未置可否。
在孙殿英惶恐不安之时，解放军再次兵临汤阴城下。解放军第三十六纵队在解决了增援孙部的黄镇中、李守正的部队后，战斗力大为增强，东关、北关、西关接连失守。城里的官兵见解放军就要冲杀进来，极为惊恐不安，乱作一团，四处奔逃。此时，孙殿英突然发现东、西、北三面吃紧，但南关却相对平静。他十分疑惑，带着参谋长，来到南关第六总队队部，原来解放军并没有攻击这里，而此地守军也没有攻击解放军。孙殿英心里明白了七八，没说什么，一头躺在床上，一言不发。过了一会儿，他急令教导团主任杨鉴派人，去请围城的解放军第三十六纵队司令员姚一鸣。
姚一鸣来到南关第六总队队部，刚一进门，姚司令员就将孙殿英叫了起来，上前握了握手，开口问了一句：“不打啦？！”孙殿英羞愧难言，没有做声。姚司令员说：“算啦，你们对外发个通电，声明全军起义，再把你们的炮调转过来，向着国民党四十军阵地北边宝莲寺打上一番炮，就算你们起义吧！”孙殿英无话可说，只有从命，令炮兵向宝莲寺方向稀稀落落打了一阵炮，并令人拟写通电。然而，当秘书主任赵璞生拟好通电全文，寻找发报员时，城内已乱成一锅粥，发报员不知所向，致使起义通电没有发出。在这混乱中，解放军攻进城内，孙部官兵全部被俘，是时为1947年4月2日——命运与孙殿英开了一个不大不小的玩笑！
孙殿英被俘后安置在河北武安县战俘营，受到非常宽待，由一名卫士照顾其生活。时间一长，他便受不了监狱的日子，甚至一度企图越狱，但未得逞。于是，他精神沮丧，整日抑郁寡欢，加上吸食了几十年的鸦片，患上了当时属不治之症的烟后痢，监狱人员为他求医治病，深深触动了他的心。在病危之际，他忏悔说：“我过去做了许多坏事，对不起民众，对不起共产党。共产党宽宏大量，不计怨仇，比蒋介石不知好多少倍啊！”这年秋天，身患多种病症的东陵大盗孙殿英病重而逝，时年63岁。