从戎，于1934年加入阎锡山的山西新军，历任副官、总队长、旅长等职。1937年抗日战争爆发后，晋军西路军总司令陈长捷率所部第六集团军参战，孙定国所在的彭毓斌军奉命执行肃清晋南新绛、稷山等地敌军的任务，孙定国初次展现了军事指挥才能。当时孙定国第一批加入了薄一波的“牺盟会”。1939年（一说1941年）加入中国共产党。此后，他在担任晋军训教总队长及新军212旅旅长兼第七行署保安司令时，都执行了中共指示。1939年12月在“山西十二月事变”中，孙定国率军脱离阎锡山，转战到晋东南太岳区，与薄一波等人领导的决死一纵会