1929年初，孙殿英又率部开往胶东，后孙部扩编为新编第十师，将防地改为河南商丘，这样，孙殿英又率部回到了河南。
1930年，蒋介石与阎锡山、冯玉祥为争夺中原而展开中原大战，这年春天，蒋介石、阎锡山、冯玉祥都在紧张地网罗中原各部，为即将到来的战争作积极准备。孙殿英左右权衡一番，最后还是决定站在冯、阎一边，于是被委任为第四方面军第五路总指挥兼安徽省主席——这个盗墓贼不但没有被惩罚，反而步步高升。孙殿英受命开赴豫东、皖北一带布防，而此时，他又亲自率一部再次进驻亳州。但中原大战开始后，由于孙殿英地处战略要地，因而蒋介石派出大军八九万人向孙部防区进攻，4月，亳州城被围，孙殿英一边抵抗，一边向冯、阎求援，冯玉祥派孙连仲率五个师驰援亳州，至7月，亳州被解围。孙殿英打起仗来倒也的确是一员悍将，在毫州被围长达3个月，拒不投降。亳州解围后，孙殿英率部退至朱仙镇。不久，所部再次被蒋军击溃，只好率部撤往黄河一带。
不久，当中原大战相持不下的时候，张学良突然发表声明，并且调遣奉系两个精锐军威逼冯玉祥、阎锡山后方，这导致冯、阎失败，而孙殿英也率部退到山西，驻防晋城一带，他转而又投向了张学良。张将孙部改编为第四十师，孙殿英任师长。
1931年“九·一八”事变后，孙殿英又升任第四十一军军长。1933年2月，日军第六师团三万余人在伪军的配合下，向热北重镇赤峰发动了进攻。2月23日，日军进攻赤峰战役正式打响，日军茂木旅团兵分南北两路向赤峰合围，北线日军进攻开鲁，守军李海清部经过顽强抵抗后撤退。张学良急调孙殿英的四十一军由山西驰援热河，向赤峰前进。
赤峰地处热河省的东北部，是热河省的经济中心和交通要道，当时有“银朝阳，金赤峰，承德是个黑窟窿”之说。早在1917年日本便在赤峰设置了驻热河省的领事馆，收集情报，经济渗透，培养亲日势力，为日军武力侵略做前期准备，所以日军制定的热河作战计划，攻占赤峰被排在了第一位，日军进攻热河的总指挥部也设在了与赤峰毗邻的通辽市，日军攻热的总头目小叽国昭和岗村宁次直接指挥东路军对赤峰的进攻。按照日军进攻赤峰的战役部署，日军精锐第六师团担任主攻，伪军攻热前敌总指挥张海鹏等部协同作战，突击部队由骑兵第四旅团担任，日军计划分南北两路包抄赤峰，战役目标是将热河守军主力吸引到赤峰周围，然后由第八师团自山海关一线切入，占领长城沿线各大要塞关口，将东北边防军10万人关在热河境内再加以全歼。赤峰之战关系到整个热河战役的成败。因而，当时担任热河战役中国守军总指挥的张作相紧急作出部署，在日军进攻的北线以骑兵第九旅驻守开鲁，骑兵第10旅驻防天山，南线以31旅驻防建平，同时义勇军冯占海、邓文、刘振东、李海清部配合东北军协防赤峰。当时考虑到东北军作战能力极差，国民党政府命令驻防山西晋城的孙殿英第四十一军入热抗战，任命四十一军军长孙殿英为第九军团长，划入热河作战系列，张作相为了加强赤峰方向的防卫，决定四十一军担任赤峰城区的防卫。孙殿英亲率下辖107旅、108旅和109旅驰援热河。
日军按照既定作战计划，首先从北线即开鲁、天山、大板、乌丹进而进攻赤峰。南线为主攻部队，由旅团长茂木谦之助亲自率领，经奈曼、敖汉、松山区进攻赤峰，形成南北夹击的钳型攻势，意图将赤峰守军一举包抄全歼。孙殿英对日本人这一套看得很清楚，于是将107旅担任乌丹防务，108旅和109旅分别部署在围场和凌源一线，作为后援和接应，从而为自己留了一条退路。2月27日，孙殿英亲自率领107旅一部驰援赤峰。而赤峰县城内早已得知孙殿英要来，于是县长孙廷弼率领绅商各界代表和中小学生列队到西门外迎候，市内各大商号也纷纷腾出房间，欢迎抗日队伍的到来，但欢迎人群从上午10时一直等到下午3时也没见到孙殿英的影子，直到日暮才见孙殿英军的大队人马姗姗来迟。又见四十一军的官兵一律灰棉军装，不佩戴领章和肩章，身背大片刀，分辨不出官佐和士兵的区别。孙廷弼等绅商各界代表上前询问孙殿英的下落，被告知孙军长早已装扮成押运粮草的士兵，坐着拉马草的大车进城了，司令部就设在二中街西口路南洪兴号绸缎布庄院内，孙县长这才匆匆忙忙赶回市区，去见孙殿英。
2月28日上午，107旅第二团以两个营的兵力开赴赤峰街东水地乡山水坡和红庙子镇沙坨梁底制高点布防，以前五二道防线抗击日军的进攻。另外，孙殿英将李海清余部2000余人收编入自己麾下。此时，热河战役外围已经纷纷告急，外围防线相继失守，31日，日军猛攻天山，东北军石文华旅全线溃逃，赤峰的北大门沦陷；3月2日，日军进攻林东，东北军崔兴武旅率部投降；3月6日，日军攻占林西，赤峰北部大部分沦丧于日军之手。南线日军主力25日攻占奈曼八仙筒，26日攻占赤峰东大门敖汉旗下洼镇，27日进抵老哈河畔马家店，31日进逼赤峰东部山水坡一线，与孙殿英部交火，赤峰城区保卫战正式打响。孙殿英命令驻守在乌丹的107旅为支援赤峰，该旅迅速派出一支200人部队抄日军后路占领建平县小哈拉道口以阻断日军后援，但第六师团后续部队高田美朋旅团从下洼赶至小哈拉道口，与中国守军展开激战，200余名中国守军面对强敌英勇阻击，最后全部战死。
驻守在山水坡一线的守军共有一个营的兵力，但由于仓促进入赤峰作战，没有携带任何重武器，因而火力配置十分薄弱，仅依托临时挖掘的战壕阻击日军，在山水坡平顶山与岱王山之间的河谷地带与日军展开了生死搏杀。日军26驻队谷部多次组织骑兵冲锋，战斗从3月1日下午4时开始直到深夜，日军多次组织的冲锋均被打退。第二天拂晓日军增援部队陆续赶到，茂木亲赴前线指挥作战。在飞机大炮的狂轰滥炸下，1000多日军轮番向该营阵地进攻。驻守在702高地上的守军居高临下给予日军右翼以重大杀伤，使日军部队无法全面展开。日军恼羞成怒停止了对前方阵地的进攻，集中兵力向702高地猛攻，顿时702高地笼罩在一片炮火硝烟之中。日军以中队为单位轮番向702高地进攻，阵地守军拼死抵抗，打退了日军的多次强攻。最后日军组织横木中队为敢死队，向702高地突击，10时30分阵地守军弹尽粮绝，702高地失守，从而解除了日军正面攻击部队的右翼威胁。之后，日军全线发起猛攻，中国守军第一道防线终被突破。
日军突破中国守军第一道防线后，一部陆续向沙坨梁底的中国守军第二道防线佯攻，其余主力部队在日军驻赤峰领事馆派出的汗奸带领下绕道红山嘴（西水地村）进攻赤峰，中国守军腹背受敌，全部撤退到市区守卫。日军兵临赤峰城下，向东门、北门、西门的中国守军进攻，孙殿英亲自登上东门督战，直到下午4时许，赤峰城区仍然牢牢地控制在中国守军手中。
日军只好调整进攻部署，迂回到头道街大和洋和，将房舍炸开冲入头道街，此时孙殿英正在东门指挥战斗，见城区已破立即组织守军在头道街、三道街开展巷战，他登上东门城楼，发誓与赤峰共存亡。县长孙廷弼眼见城区即将毁于炮火之中，出于保护城区居民的安危考虑，派赤峰农会会长宋子安恳求孙殿英撤军，孙殿英见赤峰已经不可能再夺回，坚守也只是自取灭亡，于是立即率军向西门突围，下午5时许，日军占领赤峰。
但孙殿英部在赤峰退却之后，立即又在二道河一线构筑工事与日军继续激战，直到3月8日下午防线被日军突破，孙殿英退出赤峰向围场转移。占领赤峰的日军第十部队于3月9日占领乌丹，赤峰境内最后一座重镇落入日军之手，赤峰全境失陷，赤峰保卫战结束。
尽管孙殿英在赤峰与日军对抗了七个昼夜，孙殿英部队损失惨重，战场打得轰轰烈烈，但给日军造成的伤亡却极为有限，整个赤峰保卫战赤峰保卫战日军伤亡数是阵亡16人，伤27人。
另外，尽管孙殿英本部损失不小，但他却借此吞并了汤玉麟的两个骑兵旅、一个步兵团以及其他义勇军，所以他依然保存着相当的实力。此战中，他一方面与日军作战，一方面却积极联络各方人士，他请进步人士李锡九为高等顾问，韩麟符为政训处处长，还请中共党员宣侠父作为秘书长，其部队中还吸收了不少中共党、团员和左派青年，也就是说，孙殿英借此一战，不但没有多少损失，反而赢得了一个顽强抗战的美誉，且还与各方都建立了联系，包括中共。