1933年（民国二十二年）2月，日軍三萬餘人進攻熱河，孫殿英奉張學良之命率第四十一軍由山西馳援熱河，向赤峰前進；東北軍湯玉麟部和万福麟部與敵一觸即潰。孫殿英進抵赤峰，即展開阻擊戰，相持達七晝夜，後退往猴頭溝門，繼續與敵作戰十餘日，最終戰敗而後撤察哈爾；孫殿英趁機吞併湯玉麟兩個騎兵旅、一個步兵團以及其他各路義勇軍。孫殿英同日軍交战，最終敗北，但其勇敢作战赢得了舆论称赞。同年5月，蒋介石委任孫殿英为「青海屯垦督办」；那時青海是軍閥馬步青、馬步芳，馬鴻賓、馬鴻逵（寧夏省政府主席、馬鴻賓兄長）等「四馬」之天下。在蒋介石支持下，1934年1月，孫殿英部自綏遠省西部欲進入寧夏省，参与青海、甘肅、寧夏方面統治。「四馬」聯合起來，武力抗拒孫殿英；「四馬」聯軍約4萬餘人，孫殿英兵力約7萬人。雙方作戰三個月，孫殿英戰敗。1934年（民国二十三年）3月，孫殿英軍隊回退時不意又受山西省閻錫山手下的傅作义晉綏軍攻擊而繳械投降，軍权被剥奪。閻錫山出兵斬斷孫殿英回山西之路，蔣介石明令撤銷其本兼各職，孫殿英被閻錫山收編。自此孫殿英隱退山西晉祠及太原。