Selama Perang Tiongkok-Jepang Kedua, ia memimpin Angkatan Darat Pertama dalam Operasi Kereta Api Peking (Beijing) Utara - Hankow pada Agustus 1937. Menjadi komandan Pasukan Grup Kedua dalam Pertempuran Taiyuan, Pertempuran Xuzhou, Pertempuran Taierzhuang, Pertempuran Wuhan, Pertempuran Suixian-Zaoyang, Serangan Musim Dingin, Pertempuran Zaoyang-Yichang dan Pertempuran Henan Selatan. Sebagai Wakil Komandan Area Perang ke-6, Sun memimpin Pertempuran Hubei Barat dan ketika menjadi Panglima Tertinggi Area Perang ke-6, dia mengalahkan Jepang dalam Pertempuran Changde. Sun tetap menjadi pemimpin Area Perang ke-6 selama sisa perang.