归附阎冯
孙殿英盗墓之后。率部移驻延庆、南口一带，部队缩编，军团缩编为师。各军都缩编为旅，孙为第四十二旅旅长。
1929年初，孙殿英率部到达山东齐河县境，借口追剿土匪，由济南向东遁去。
这时，张宗昌余孽张明九匪部二千余人盘踞章丘一带，烧杀掳掠，无所不为。章丘有个村庄叫作九军，是我国北方著名的“八大祥"之瑞福祥绸缎行业资本家孟家故乡。孟家因不堪张明九匪部的扰害，曾向孙殿英请求解决张部，为民除害，并许诺事成之后酬洋十万元。孙仅将张部收编，并未予以消灭，孟家见孙未践前约，仅给他送了“万民旗”、“万民伞”，一味敷衍。孙对孟家此举极为不满，于是骏使张部哗变，将孟家金银财宝和细软抢掠一空，烧毁房舍百余间。
孟家吞不下这股恶气，于是向各方面运动、控告。时任山东省主席的陈调元迫于形势，命令孙将张明九押解济南正法。孙以途中怕出问题为由，请求就地执行，陈同意并派人监督。当陈的人派来后，孙推
说白天将张枪杀，恐怕激起兵变，要趁天黑秘密执行。次日拂晓，张明九和他的参谋长被绑赴刑场，他们一路上大骂孙殿英不讲义气。及至到了刑场，奉命执行枪决的范聚宝，将枪放在张明九的肩上，“叭！”的一声，范用脚将张踢倒在地，这时张才恍然大悟，装死不动。范假装验尸，把先前打死的参谋长身上的血抓了一把，往张脸上一抹，蒙混过了关。陈调元派来的人虽然在跟前监视行刑，也不知道孙殿英玩的把戏。待天微明时，当场拍了照片同省交差。范又将张明九用苇席卷着装入牛车，假装去掩埋，张即逃之夭夭。
此时的孙殿英成了举世皆知的盗陵罪犯，但他毕竟还掌握着一部分队伍，在当时几个军阀集团明争暗斗的形势下，竟成了各方面争取利用的对象。孙也就利用这个环境，权衡利弊，挑肥拣瘦。他本来抗拒了蒋介石的命令，没有开赴皖北，而是逗留在胶东，且与张宗昌、褚玉璞勾结在一起，但蒋介石并未责怪于他，而是三令五申调他去蒙城。孙明知在胶东干过对不住蒋介石的事，自己此去凶多吉少，因此他发电向蒋辞职，退避羊角沟。由于蒋介石派人慰留，他才又回到部队。蒋即把孙部扩编为新编第十师，增加饷银，补发被服，并将移防地点改为河南商丘，旋即开往洛阳一带。孙殿英利用部队移防机会，在运兵车上满载海盐，运往许昌的“襄公八柜”拍卖，从中获取暴利。
1930年春，在中原大战酝酿时期，孙殿英看到反对蒋介石的势力较大，便有意依附阎锡山、冯玉祥。阎、冯也希望将孙争取过来以为己助。孙殿英便毫不费力地从阎、冯那里取得了第四方面军第五路总指
挥兼安徽省主席的重要地位。孙殿英即令所部开赴豫东、皖北布防，自率一部进驻亳州城内。在此期间，他经常从毫州到郑州和鹿钟麟、孙良诚、宋哲元、徐永昌、杨爱源等大赌其钱。一次，在大同路中国银行与孙良城、徐永昌、石友三打麻将，孙故意输给孙良诚4000余元，并将孙良诚派来的刘曾若任为安徽省民政厅长以表示友好，暗示孙良诚在冯玉祥跟前替他说话。
中原大战开始，蒋介石认为反复无常的孙殿英有随时袭击津浦、陇海两路交通线的可能，对其威胁很大，曾派王均、叶开鑫、秦庆霖、金汉鼎等部共八九万人向孙部防区进攻。因孙在亳州防御周密，致使
王、叶等部久攻不克，后来蒋介石派张钫、王翰鸣先后到亳州劝降，也都没有结果。当张钫到亳州的消息传出后，鹿钟麟曾电孙，要他把张钫押解开封。因孙想在蒋介石面前留条后路，未能照办。但最后他以张钫为人质，向蒋索得一笔巨款，才将张放走。后来战事日趋激烈，孙向阎锡山、冯玉祥求援，冯派孙连仲率五个师驰援亳州，内外夹击，城围始解。亳州城自4月被围至7月解围，历时九十余日。
亳州解围后，孙殿英率部退至朱仙镇时，让部下王实平代他指挥。不久，所部被蒋介石击溃，狼狈逃过黄河。
中原大战结束时，孙殿英看到战局前途对阎、冯不利，乃派谭温江赴沈阳见张学良，表示归顺。张学良遂任命孙殿英为第十四师师长，“九一八事变”后，又升任为第四十一军军长。从此，孙殿英又投到了张学良麾下。