1930年春,在中原大战酝酿期间,孙殿英依附于冯、阎。被委任为第四方面军第五路总指挥兼安徽省主席。孙殿英叛蒋而改投冯、阎,令所部开赴豫东、皖北布防,自率一部进驻亳州。中原大战开始后,蒋介石派出大军八九万人向孙部防区进攻,4月,亳州城被围,孙殿英一边抵抗,一边向冯、阎求援,冯玉祥派孙连仲率五个师驰援亳州,至7月,亳州被解围,历时九十余日。亳州解围后,孙殿英率部退至朱仙镇。不久,所部被蒋军击溃,逃往黄河。不久,张学良率部入关,冯、阎失败,孙殿英率部退到山西,驻防晋城一带,
张学良将孙部改编为第四十师,孙殿英任师长。