长李延禄抵达莫斯科，孙西林为李延禄当秘书。此后三年间，他协助李延禄开展上层统战工作。1936年9月，由潘汉年、李延禄、孙西林三人组成的代表团，以东北抗日联军和东北3000万同胞的名义向南京国民政府请愿，敦促蒋介石抗战。同年11月，李延禄、孙西林绕道意大利到达上海。代表团在国民政府军事委员会办公室副主任刘光召集的小型会议上汇报了东北抗日联军的情况，递交了请愿书，并提出六项要求。同时，李延禄、孙西林扩大统战工作，先后争取到宋哲元、张学良、冯玉祥支持。1936年11月22日，上海救国会七君子被国民政府逮捕