1941年12月，第六十六军组建完成，张轸为军长。税务警察总团改编为新三十八师，隶属于第六十六军，孙立人任师长，齐学启任副师长。新三十八师改编后，即奉命与兄弟部队一起开赴贵阳以南地区整理训练。
国民党军队出国以前，蒋介石命令军事委员会派出点校小组，分别到即将赴缅部队的集结地点校。在贵州兴义，点校小组对新三十八师进行了点校。结果，几十个点校委员对该师的训练非常满意。这时，孙立人心里有说不出的高兴。但是，张轸在讲评时却说：“演习是不错，只怕不能打仗……”这来自顶头上司的当头一棒，激起了孙的极大恼怒。
1942年2月，中国远征军组成。4月初，蒋介石命令第六十六军入缅。孙立人率领新三十八师由贵州安兴出发，同本军的兄弟师一起，向缅甸腊戍、曼德勒开拔。途中的一天，孙接到命令，限时开抵缅甸八莫。在时间紧、路途远，又没有交通工具的情况下，他决然命令部队徒步急行军，赶往目的地。一路上，部队昼夜兼程，跋山涉水，尽管官兵叫苦不迭，但终于按时到达了指定的地点八莫。4月14日，到达腊戍。
由仰光进犯的日军，西路为第三十三师团，于4月1日突破英军阵地普罗美以后，继续向前攻击；东路为第十八师团，沿萨尔温江推进。4月中旬，孙立人率新三十八师进驻曼德勒，担任策应英军和远征军兄弟部队抗击东、西两路日军，向北进攻的任务。英军第一师，在西路对日军第三十三师团北犯进行了抵抗，但不能阻止敌人前进，5日，放弃阿兰庙，以后逐日撤退不停，13日，要求远征军接防沙斯瓦、唐德文伊、马格威，掩护他们撤退，14日又弃守马格威，退守仁安羌。这时，孙立人根据上级的指示，命令副师长齐学启带领两个团，开往纳特曼克和克遥克柏当两地布防，负责支援英军和掩护正面远征军第五军侧背的任务。
日军第三十三师团探悉英军退守仁安羌，便于4月16日立即派两个联队，绕到英军后方，占领仁安羌油田，17日，将英军步兵第一师及装甲第七旅包围在仁安羌北面一带地区。英军被围困，粮尽弹缺，水源断绝，危急万分。第一师师长斯高特一再告急。孙立人赶到英军第一军团长史林姆将军指挥所，与史林姆共同研究救援英军作战方案。吏林姆提出，如果中国军队再不为之解围，便有被瓦解的可能。在此紧急关头，孙立人调派唯一的装甲兵团第…一三团，由副师长齐学启和团长孙继光率领，星夜赶往英军被围前线，自己也亲赴现场，指挥作战。4月17日傍晚，孙部第一一三团向日军发起猛烈攻击，经两天激烈苦战，克复仁安羌，歼灭日军第三十三师团主力一千二百多人，残敌狼狈溃逃。新三十八师取得了中国远征军第一次大捷，解除了包括英缅军总司令亚历山大上将在内的七干多名英军之围和解救出被日军俘虏的英国军人、美国传教士及新闻记者五百多人，并把被日军夺去的英方-—百多辆辎重汽车和一千多匹战马，交还英军。英军第一师官兵对此感激涕零。
中国远征军各部队分别退至印度和我国云南省，第一次缅甸战役宣告结束。
1942年5月底，孙立人率新三十八师到达印度的边境。这里的英国驻印边防军向该师提出：中国军队必须解除武装，以难民身份才能进入印度。孙只身前往谈判，并要求英军派人前来参观新三十八师的军容。驻防该地的英军，是被孙部在仁安羌解救过的第一师。英军见当面的部队就是新三十八师，全师官兵五千多人，经过理发、修脸、洗补军眼，个个整整齐齐，武器擦拭得锃亮。好似严阵以待，就欣然欢迎孙部进入印度。
8月，孙立人率部进驻印度的比哈尔省兰姆珈。兰姆珈是史迪威与英国驻缅当局商定的用来训练中国军队的基地。同时到达这里的，还有第五军新二十二师。这时史迪威向蒋介石提出，中国军队营以上军官都要由美国入担任，并且先由美国调来三百多军官，准备接替中国军官的职务。孙虽然是一向崇美亲美的，但他也和全体中国军官一样，坚决反对史迪威的这一做法。
10月，蒋介石把驻印部队改编为一个军，委任郑洞国为军长。1943年春，郑率军部人员赴印度，成立新一军，孙部为新一军所辖。9月，各部队陆续集结于印度东北部的列多。10月底，驻印军即向缅北大举反攻。
第二次缅甸战役正式开始。这时，孙立人指挥新三十八师，翻越印缅山区，参加了胡康河谷战斗。胡康河谷，是由大龙河和大条河流经的太洛盆地和新平洋盆地相联而成。两边山高林密，中间河流纵横，地形之复杂，有绝地之称。据守胡康河地区的敌军，是日军田中新一中将率领的第十八师团所部步兵五十五联队全部、一一四联队一部和炮兵十八联队等。10月24日，孙立人以其第一一二团掩护筑路部队，一边筑路、一边前进。进至于邦加时，第一一二团被敌人包围一月有余，靠砍芭蕉树藤取水度日。12月下旬，孙立人派第一一四团增援，两团协同苦战七昼夜，全歼该地之敌。1944年1月6日，孙部在新三十师主力支援下，将大龙河以西的敌人全部肃清，全师到达大龙河两岸，接著相继攻克太自家、甘卡等地。在攻占拉征卡、拉安加、马高、大会今加、拉树卡、瓦卡道等地以后，将大奈河以北之敌完全肃清。3月5日，攻占敌人在胡康河谷之心脏重地孟关，摧毁敌十八师团的主力，毙敌一千四百余人，俘获甚多。并乘胜分路追击败退之敌，于3月15日攻占了丁高沙坎，从而解放了整个胡康河谷地区。
驻印军占领胡康河谷以后，又发起了对坚布山的进攻。孙师第一一三团攻抵沙杜渣以南之拉班，旋即折而向北，与新二十二师实行南北夹击敌人。29日，攻占沙杜渣，突破了缅北天险之山隘，进入了孟拱河谷。
4月初，孙部在新二十二师的配合下，向孟拱河谷之日军进攻。月底，新三十八师先后占领了高利，奥溪、马兰、曼平等重要据点。5月以后，缅北渐入雨季，细雨延绵不断，部队行动困难，孙不颐气候的恶劣，率部继续前进。他以第一一三团由曼平向西南前进台围敌人，6月16日，与新二十二师会合于加迈，迫使敌十八师团师团长田中新一率领残敌约一千五百人，劈路攀援雷邦山向南逃遁。
这时，英军第七旅进攻孟拱，遭日军反击，形势危急，孙立人奉命率部解救。他以第一一四团沿孟拱山秘密迂回南下，历尽艰险，冒雨挺进，并击破沿途遭遇之敌，干6月18日抵孟拱东北。22日晨，突击敌军侧背，挽回了英军的危局。战斗中，该团曾以一个排接替英军一个营的战斗任务，并驱逐了敌人，英军颇为惊异。战后，英军旅长亲自到第一一四团，收集战斗资料作为参考，表示感谢不已。23日，孙部占领敌人外围据点，将孟拱四面交通线切断，城区之敌逐陷包围之中。继之，孙部第一一四团突入城垣一角，与敌人进行两昼夜之巷战，击溃顽抗之敌，于6月25日孟拱城完全占领。
攻取孟拱以后，孙率新三十八师沿孟拱至密支那一线扫荡敌人，至7月11日与密支那的新三十师会合，打通了卡盟、孟拱、密支那之间的公路、铁路线，为打通中印公路，夺取反攻缅北战斗的胜利奠定了基础。
与此同时，驻印军新三十师与美军G字团组成的混合突击支队攻占了密支那机场后，进而以五千一百令人伤亡的重大代价，毙伤日军近两干人，夺取了密支那城，挫败了曾经在我国发动“卢沟桥事变”的日军“常眭师团”。至此，反攻缅北的第一期战斗结奭。史迪威称赞第一期战斗为“中国历史上对第一流敌人的第一次持久进攻战”。
中国驻印军攻占密支那城以后，奉命整顿扩编，由新一军扩编两个军，即新一军和新六军。由孙立人任新一军军长，辖新三十八师、新三十师和五十师。
10月，反攻缅北的第二期战斗开始。中国驻印军由孟拱、密支那分两路继续向南推进。孙立人奉命率新一军为东路，沿密支那至八莫的公路向南攻击，以新三十八师为军第一线兵团，向南前进到那泡及丹邦阳地区集中；以新三十师为第二线兵团，部署于宛貌附近，尔后随第一线跟进。八莫是战略要地，此地得失，关系缅北和滇西全局。敌人在密支那失败后，即集中残余部队加强八莫的防御设施，深沟高垒，层层设防，每条街巷都有坚固工事。孙见新三十八师首次攻击失利后，即指示该师采用陆空协同、步炮协同的方法，以战车作掩护，逐点歼灭，攻击敌人。经过一个多月的流血苦战，攻克了庙堤、新龙卡巴等地，占领了公路沿线广大地区；12月15日，克复了八莫城。敌守城司令原大佐被击毙，残敌向南坎逃窜。在新三十八师攻占八莫的同时，孙即令新三十师对南坎发动攻势。该师分三个纵队沿八莫公路及两侧山地向前推进，11月15日，夺取南坎西北之南开，1945年初，攻占瑞丽江西岸的敌人据点后，进击敌人的坚固据点茅塘。为避免正面攻坚，他令新三十师和新三十八师以迂回奇袭的战术，实行南北夹击，1月15日袭占南坎。以此同时第五十师也已肃清了瑞丽江岸之故，这样整个南坎地区为孙的新一军占领。
中国驻印军占领南坎以后，芒友便成为中印公路上唯一被敌人盘踞的据点。在第一次缅甸战役后撤退到云南的中国远征军，重新组建成了滇西远征军，与驻印军同时反攻缅北，实行东西夹攻，会攻芒友。据守芒友的敌军，除日军五十六师团外，还有第二师团的第十六联队、第二十九联队和第三十三师团的一一九联队。他们采取交互支援，逐次抵抗的部署，迟滞驻印军和滇西远征军的会攻。1月16日，孙立人以新三十八师主力沿芒友公路进击，新三十师主力围攻老龙山地区之敌。1月21日，新一军先后占领开阳、曼伟因、苗西等芒友外围据点，并与滇西远征军第五十三军第一一六师取得联系，联合发动攻击，于27日攻破芒友。自此，中国驻印军和滇西远征军共同完成了打击缅北日军，打通中印公路的历史使命。
2月8日，新三十八师进占南巴卡，孙立人指挥新一军务师团继续猛进。经过二十多天的转战，先后占领了弄树、般尼、河劳、桃笑、贵街、拉秀、芒利等地。3月8日，攻占腊戍，全歼守城日军。从此，滇缅公路、泰越边境之咽喉，统统为驻印军所学握。接著，孙以第五十师进攻南图，以新三十八师协同第五十师向细胞推进，以新三十师向猛岩攻击。3月23日，第五十师占领南图。24日，与新三十八师会师细胞。27日，新三十师攻克猛岩。至此，第二次缅甸战役胜利结束。
孙立人和他的新三十八师、新一军，在远征缅甸、协同盟军抗击日本侵略者的战斗中，屡建战功，国内外各界给予充分的肯定和高度的赞扬。当时的国际舆论界赞誉孙立人为“东方的隆美尔”(隆美尔是德国元帅)。《大公报》在1945年3月10日题为《腊戍瓦城解放以后》的评论中也指出：孙立人三年的苦斗，“获得了光荣的收获”。
1945年5月，新一军先头部队回国，于7月全军返抵广西南宁，准备在祖国大地上大举反攻日军。这时，欧洲战场美国军队最高司令艾森豪威尔邀请蒋介石派一个由三人组成的军事考察团前任欧洲，考察欧洲战场，并指名要孙立人参加。孙应邀赴欧，在三周时间中，游历五万英里，对欧洲一些国家反法西斯战争的战况进行了实地的考察和了解。
孙立人从欧洲回国，率领新一军到广州，办理日本第二十三军壬降。嗣后，新一军进行了休整，装备了美国、日本等国的武器弹药以及军用物资，招募了大量新兵，扩大了教导总队，抓紧进行军事训练。这时的新一军已经成为国民党的五大主力之一。
1946年1月，国民党当局调新一军去东北，进攻解放区。孙立入接到命令以后，于3月率领新一军搭乘美国太平洋第七舰队运输舰，从广州假道香港，到秦皇岛登陆，转乘火车到达锦州一带，又辗转迂回到沈阳外围，配合第五十二军和新六军，以沈阳为中心，向沈阳以南、以东、以北展开进攻。
4月初，孙立人率新一军开始向四乎攻击。他以五个师的兵力同时展开，分两路沿沈阳至长春的铁路平行推进。新一军自称”天下第一军”，气势汹汹地向北进犯，妄图迅速占领四平。4月8日，孙部在昌图以北兴隆泉地域进攻，被东北民主联军一举歼灭其新三十八师的两个营和一个重机枪排，计一千二百多人。4月17日，孙部进至四千以东、以南地区。18日，在飞机、坦克的配合下，对民主联军扼守的鸭湖泡、泊罗林子、三道林等外围阵地发起进攻，与民主联军保安第一旅、第七纵队、第三师及第七师各一部展开激烈争夺。27日以后，战局呈对峙状态。5月15日，蒋介石调集十今师的兵力编成三个兵团重新发起进攻，朴部为中路乒团，于18日在新六军等部支援下，占领了四千东南之重要高地塔子山。此时，民主联军鉴于部队减员较多，战场局势对己不利，千18日夜被迫撤出战斗。19日，孙部进入四千。22日，侵占长备。
1946年8月，孙立人被任命为东北绥靖副司令，兼任新—军军长及长春警备司令。他执行东北保安司令长官杜聿明的“南征北守、先南后北”的战略汁划，率部扼守长春、永吉(今吉林)以北、松花江以南各要点，阻止东北民主联军北满部队过江南援，1947年1月5日，民主联军北满部队为支援友军作战，集中十二个师的兵力，南渡松花江。该部进至长春以北地区，遭新一军的攻击，双方交战。孙部在其塔木战斗中，新一军新三十八师第一一三团一个营及辎重连，被英勇的东北民主联军第三师包围，孙令第一一三团上力出援，又被民主联军伏击部队所歼灭。在民主联军攻击其塔木时，孙又今其第五十五师第一五○团(缺一营)由德惠出师增援，结果也遭痛歼。
2月21日，北满的东北民主联军第二次渡江南下，孙部第一军在九台东北城子街一带进行抵抗，其第三十八师第八十九团被民主联军包围歼灭。此时，孙害怕所属部队被各个歼灭，遂将九台、农安等地部队收缩至长春。致使德惠守军陷于孤立。当民主联军包围德惠时，孙从长春守军中抽调十二个团的兵力驰援，迫使民主联军撤回江北。接著，他令其新一军、第七十一军乘民主联军撤退之际继续北犯，在靠山屯、郭家屯等地遭民主联军反击，其第八十八师全部和第八十七师的一部被歼。
孙立人率部进入东北以来，几次被东北民主联军所挫败。这使蒋介石十分恼怒。是年4月，蒋介石把他从长春调到沈阳，任命为东北保安司令部副司令长官。并把孙苦心经营数年并赖以起家的新一军交给了黄埔军校出身的军辖第五十师师长潘裕昆。8月4日，又把他调离东北，以陆军副总司令兼任驻南京的陆军训练处处长。孙对蒋介石这种不公平的对待，耿耿于怀，但又无可奈何。
后来，孙立人通过美国人周旋，以他练兵有方的名义向蒋介石说情，他才得以调到台湾练新兵。这时，他从新一军军部和新三十八师选去几百名在税务警察总团和在印度、缅甸时期的亲信，一同前往台湾，另起炉灶。
1949年8月，蒋介石任命孙立人为国民党东南军政长官公署副长官，兼台湾防卫司令。孙驻守台湾，与美国打得火热，而对蒋介石态度暖昧。10月，蒋介石来到马公岛。在岛上，蒋派员去见孙。孙诚恳地说：“台湾的一切，当以领袖之命是从。”蒋十分感激地说：“蒋某从此息影田园，再不过问政治。孙将军将来可以出任陆军总司令。”1950年3月，蒋介石在台湾成立国民政府以后，委任孙为陆军总司令兼保安总司令。1951年5月，又升为二级陆军上将。
1950年12月，孙立人召开“第一次年终扩大良心会”，让许多高级长官来听取士兵的良心话，抵制蒋经国在军队中的政治工作制度，引起蒋经国十分不满。接著蒋经国便推行“庆生会”。与孙召开的“良心会”针锋相对。恰在这时，美国派顾问团长蔡斯列台湾，负责执行对台湾的军事援助。蔡斯一到台湾便竭力主张废除军人中的政工制度，这一点与孙不谋而合。蒋经国不满蔡斯的所作所为，便迁怒到孙的头上。蒋介石惧怕孙以美国为靠山，为美国所利用，祸起萧墙，便于1954年6月免去了他的陆军总司令职务，任命他为“总统府”参军长。
1955年6月，台湾国民党政府以孙立人与其部属少校郭廷亮发动“兵涑”的阴谋活动有关为由，对孙施行看管侦讯。8月20日，蒋介石下令成立了以陈灭为主任的九人调查委员会，调查“孙立人案件”。五十天以后，凋查委员会正式公布了一力六十言的调查报告。10月31日，台湾当局宣布了对孙的处理：“以孙立人久历戎行，曾在对日抗战期间作战立功，且于案发之后，即能一再肫切陈述，自认咎责，深切痛悔，既经今准免去‘总统府’参军长职务，特准予自新，毋庸另行议处，由国防部随时察考，以观后效。”他被送往台中软禁起来。
此后，其子女和孙子为恢复孙立人的自由不断奔走呼号。一些民选的“立委”也经常向当局质询孙的近况，要求恢复其自由，加上本人积极主动地争取，终于如愿以偿。1988年3月20日，“国防部长”郑为元拜访软禁在台中市向上路一所寓所里的孙立人，告诉他从现在起，有任何行动和言论的自由，可以前往任何想去的地方，并可以同任何人交谈。
1990年11月19日11时许，孙立人病逝于台中市自宅，终年九十岁。
