抗日戰(zhàn)爭全面爆發(fā)后，國民政府以韓復(fù)榘的第三路軍為主力成立了第三集團(tuán)軍，任命韓復(fù)榘為總司令。1938年初，韓復(fù)榘被國民政府軍事委員會下令處決，1月13日，任命于學(xué)忠兼任第三集團(tuán)軍總司令，原韓復(fù)榘部下孫桐萱晉升為副總司令，但因于學(xué)忠的51軍在蚌埠有戰(zhàn)斗任務(wù)需要指揮而第三集團(tuán)軍的作戰(zhàn)區(qū)在曹縣，于學(xué)忠兩地指揮戰(zhàn)斗分身乏術(shù)，經(jīng)請示上級將孫桐萱升為第三集團(tuán)軍總司令，轄孫桐萱為軍長的第12軍、谷良民為軍長的第56軍和曹福林為軍長的第55軍。自此，孫桐萱肩負(fù)起領(lǐng)導(dǎo)第三集團(tuán)軍抗戰(zhàn)的使命。

　　九個連戰(zhàn)士全體壯烈殉國

　　徐州會戰(zhàn)前夕，第三集團(tuán)軍歸第五戰(zhàn)區(qū)李宗仁領(lǐng)導(dǎo)，孫桐萱率第20師、第22師、第81師防守金鄉(xiāng)、曹縣以北黃河沿線；曹福林率第29師、第74師赴滕縣以北作戰(zhàn)，曹師第87旅（旅長榮光興）旅部調(diào)臺兒莊附近，命吳化文率第4師襲擊濟(jì)南。

　　1938年1月，沿著津浦鐵路南下的日軍磯谷師團(tuán)受到孫桐萱部隊的頑強(qiáng)阻擊，進(jìn)攻勢頭銳減。2月10日，第三集團(tuán)軍奉命收復(fù)濟(jì)寧并牽制日軍南進(jìn)，孫桐萱先命一部分部隊向汶上攻擊并向濟(jì)寧側(cè)擊，再聯(lián)絡(luò)谷良民率部由定陶縣大長溝渡過運河，迂回向濟(jì)寧北門進(jìn)攻；曹福林率部由金鄉(xiāng)渡過運河，向濟(jì)寧南關(guān)進(jìn)攻，協(xié)同收復(fù)全城。

　　此舉意在對日軍在臺兒莊作戰(zhàn)部隊右翼產(chǎn)生威脅，繼而切斷津浦鐵路。同時，孫桐萱任軍長的12軍第81師由方河鎮(zhèn)渡過運河，向汶上攻擊，并向濟(jì)寧側(cè)翼展開攻勢。當(dāng)時，據(jù)守濟(jì)寧的是日軍第10師團(tuán)第8旅團(tuán)第39聯(lián)隊1400人，大部分集中在濟(jì)寧南關(guān)，只有500人駐城里。

　　2月12日22時，谷良民部的兩個團(tuán)向濟(jì)寧北門發(fā)起進(jìn)攻，另一團(tuán)則布防在二十里鋪打援。登梯攀城的官兵不懼?jǐn)橙说拿土疑鋼?，雖遭受慘重傷亡也猛攻不止，至14日，在山炮的掩護(hù)下終于從濟(jì)寧西北城墻取得突破，九個連沖入城內(nèi)，和日軍展開巷戰(zhàn)，一度占領(lǐng)全城。

　　15日，日軍協(xié)同火炮、戰(zhàn)車前來增援，同時分兵一部，直驅(qū)大長溝切斷第三集團(tuán)軍各部后路。第三集團(tuán)軍入城部隊在彈藥供給不濟(jì)的情況下與敵肉搏至夜，九個連的戰(zhàn)士全體壯烈殉國。

　　在濟(jì)寧西南城策應(yīng)的第三集團(tuán)軍曹福林部也曾一度攻入火車站，但也無力扭轉(zhuǎn)戰(zhàn)局；12軍81師于13日夜一度攻入汶上北關(guān)，與敵肉搏4晝夜，傷亡2000余人，無力分兵側(cè)擊濟(jì)寧，谷良民部終因腹背受敵傷亡慘重不得不撤出戰(zhàn)斗至南旺鎮(zhèn)至水流店一線設(shè)防，12軍第81師奉命撤回方河鎮(zhèn)延運河設(shè)防。

　　夜襲敵人機(jī)場

　　孫桐萱、曹福林等率軍在微山湖西嘉祥一帶對日軍持續(xù)中展開消耗作戰(zhàn)，有力打擊了敵人入侵魯西的企圖，國民政府軍事委員會曾致電加冕。至1938年3月23日臺兒莊戰(zhàn)役打響，第三集團(tuán)軍在濟(jì)寧、夏鎮(zhèn)、滕縣一線側(cè)擊日軍。

　　當(dāng)時，對第三集團(tuán)軍威脅最大的是日軍飛機(jī)的狂轟濫炸。第五戰(zhàn)區(qū)司令長官李宗仁命令孫桐萱設(shè)法打擊敵人軍用機(jī)場。孫桐萱當(dāng)即命令第12軍20師挑選勁旅組成敢死隊，于3月27日夜摸到大汶口機(jī)場附近，趁敵人不備，攻入機(jī)場，燒毀了油庫彈藥庫摧毀了敵機(jī)多架，使敵人一時之間失去了空中優(yōu)勢，其空軍無法南下增援臺兒莊。對臺兒莊大捷起了重大作用。

　　安境、保民

　　1938年夏，第三集團(tuán)軍調(diào)歸第九戰(zhàn)區(qū)指揮管轄，在江西參加武漢會戰(zhàn)。孫桐萱雖然是集團(tuán)軍司令，但實際上僅轄第12軍。武漢會戰(zhàn)后，第三集團(tuán)軍在江西休整至10月下旬便奉命北上前往鄭州，擔(dān)任花園口至周家口以北黃河防務(wù)。孫桐萱將集團(tuán)軍總部設(shè)在鄭州市的隴?；▓@，期間，他帶領(lǐng)第三集團(tuán)軍的將士為滯留在鄭州附近的大批難民興辦被服廠，招收工人，以圖解決難民的生活問題。當(dāng)孫桐萱發(fā)現(xiàn)全國性的高校西遷潮導(dǎo)致滯留在其轄區(qū)內(nèi)的流亡青年和第三集團(tuán)軍隨軍子弟的教育成了問題時，立即創(chuàng)辦了蔭亭中學(xué)，使軍人子弟和普通民眾可以繼續(xù)學(xué)習(xí)文化課和軍事知識，所有的費用均由軍中支付。在農(nóng)忙時節(jié)，孫桐萱帶領(lǐng)部隊到農(nóng)村幫助播種、收獲，并設(shè)置了軍警維持治安。由此，第三集團(tuán)軍在轄區(qū)內(nèi)和民眾形成了良好的關(guān)系。

　　為了加強(qiáng)河防，第三集團(tuán)軍還定期輪流派出一個團(tuán)的兵力到河?xùn)|的蔚氏、杞縣、太康等地積極開展游擊戰(zhàn)，既打擊了敵人，又讓部隊在實戰(zhàn)中得到了鍛煉。在1939年孫桐萱兼任豫皖邊區(qū)游擊總指揮時，81師師長賀粹之率部在太康、睢縣、民權(quán)一帶打游擊戰(zhàn)，每戰(zhàn)勝利，屢受嘉獎，獲得年總評全國正規(guī)軍的游擊戰(zhàn)第一名。

　　兩次奇襲開封

　　在鄭州把守河防期間，孫桐萱率第三集團(tuán)軍曾兩次奇襲開封，每次都攻入城內(nèi)，打擊了日本侵略者。

　　據(jù)孫桐萱秘書宋一萍回憶：第一次奇襲發(fā)生在1939年的秋天，第三集團(tuán)軍臨時組成突擊隊趁夜攻入開封城內(nèi)，占據(jù)鼓柚。在殲滅敵人有生力量后，第三集團(tuán)軍的將士趁敵人混亂之際，悄然撤退回到黃河西岸。

　　第二次奇襲開封發(fā)生在1940年4月，孫桐萱命第三集團(tuán)軍組成以周遵時為作戰(zhàn)指揮部指揮官，率約1.2萬人渡河直搗開封，給敵人以很大打擊。

　　消息傳出后，引發(fā)全國轟動，外國通訊社稱此舉為對日軍已占重要城市的一次有效攻擊。

　　鄭州血戰(zhàn)

　　1941年9月，日軍進(jìn)行第二次長沙會戰(zhàn)，為牽制中國軍隊的豫中力量，日軍調(diào)集36師團(tuán)、35師團(tuán)及由平漢路北段抽調(diào)110師團(tuán)配備騎兵、化學(xué)兵、飛機(jī)百余架、坦克70輛及大批重炮在中牟、京水等處集中。10月2日凌晨3時，日軍機(jī)械化部隊約5萬人在炮火的掩護(hù)下欲強(qiáng)渡黃河，孫桐萱命第三集團(tuán)軍河防部隊死守。兩軍激戰(zhàn)，20分鐘內(nèi)一個連的守衛(wèi)部隊全連陣亡。孫桐萱命集中火力攻擊渡河日軍，雙方戰(zhàn)斗膠著陷入白熱化。當(dāng)?shù)弥谌哲娀瘜W(xué)武器的攻擊下部隊后退時，孫桐萱將總部預(yù)備部隊和直屬部隊調(diào)上火線。

　　天亮后，日軍大批飛機(jī)對鄭州市區(qū)連番轟炸，不停掃射第三集團(tuán)軍陣地。3日拂曉，日軍在猛烈炮火和飛機(jī)的掩護(hù)下全力進(jìn)攻，迫使第三集團(tuán)軍不斷轉(zhuǎn)移陣地，第81師在賈魯河新堤一帶的戰(zhàn)斗尤為激烈。所部一營長腸子被彈片帶出，仍然帶傷與連長奪回敵機(jī)槍一挺，斃敵二三人，最后在戰(zhàn)場上殉國。孫桐萱親臨前線督戰(zhàn)，決定暫時放棄鄭州城，引敵人進(jìn)入嵩山山麓，以游擊戰(zhàn)和運動戰(zhàn)的方式以逸待勞誘敵深入。此后20多天，第三集團(tuán)軍在堅守陣地殺傷日軍有生力量同時，不斷派部隊襲擊鄭州日軍部隊。31日黃昏，當(dāng)面敵火力漸弱，似有退卻模樣。10月31日至11月1日夜間，第三集團(tuán)軍全線發(fā)動反擊，日軍潰退，第20師60團(tuán)當(dāng)夜收復(fù)鄭州。

　　和中共保持往來

　　1943年1月，原西北軍中長期從事地下黨工作的老共產(chǎn)黨員劉貫一又在第三集團(tuán)軍中發(fā)展共產(chǎn)黨員，孫桐萱默許中共地下黨在部隊中存在；另外他曾支援同在豫皖邊區(qū)的新四軍5000塊錢，為此被蔣介石扣押，第三集團(tuán)軍番號被撤銷，其基本部隊第12軍被湯恩伯收編。后來，蔣介石由于并沒有抓住孫“投敵”的真憑實據(jù)，最后提出給孫“調(diào)動工作”。不久，國民黨軍事委員會派人給孫送來一紙中將軍事參議的委任狀。1945年日本投降后，孫桐萱拒絕了國民黨的“挽留”，辦理退役手續(xù)，回到北平居住。中華人民共和國成立后，孫桐萱成為全國政協(xié)委員。（作者為天津師大教授）