1937年12月，参加南京保卫战，时任第七十二軍军长兼第八十八師师长，部隊據守安德門、雨花台、中華門一帶南郊陣地。而第88師因淞滬會戰的巨量消耗，至南京時兵力僅約7,000名，裝備只有步槍三四千把、輕機槍不到200挺、馬克沁重機槍五六十挺、火炮20門二十式82毫米迫擊砲、4門六年式75毫米山砲，面對日軍第6與第114兩師團近4萬人兵力，配備75毫米以上口徑大砲116門，九四裝甲車、八九式中型戰車80多輛，然而面對兵力與火力的極大差距，孫元良第88師依舊發揮極為英勇頑強的戰力，連日方在戰後出版的部隊史《鄉土部隊奮戰史》也不得不給予高度評價。12月11日，。由於唐對作戰無全盤計劃，使八十八师与五十一师的阵地之间放开一个无人防守的大口子。12日，日军占领雨花台，直攻中华门。由于分配给第88师的城墙阵地无人防守，日军攻上城墙。。12日下午，唐生智下令各部突围。88師主陣地被敵軍佔領，88、87兩師的潰退部隊走擬出挹江門。南京保衛戰中，孫元良轄下的第88師阵亡旅長2人、團長3人、營長11人，連排長傷亡十分之八，而日軍僅第6師團從12月6日至13日就至少戰死233人、戰傷1,041人，其中絕大部分是死傷於雨花台戰鬥（而防禦雨花台的便是孫元良的第88師），第88师战前约6000余人，战后仅500人归队。