就在此时，多尔衮、岳托分兵南下，攻破长城防线，明京师戒严，总督卢象升在巨鹿阵亡。明廷遂召孙传庭、洪承畴回援，主持京师防守。孙传庭抵达京郊后，由于他与杨嗣昌矛盾颇深，崇祯帝降旨不准他入京朝见。而洪承畴则在京郊受到慰劳，奉旨进城拜见崇祯帝，孙传庭对此大为不满。杨嗣昌任洪承畴为蓟辽总督，并主张将陕西军全部留下，用于守卫蓟辽。孙传庭对此极力反对，上奏道"秦军不可留也。留则贼势张，无益于边，是代贼撤兵也。"杨嗣昌心胸狭窄，对孙传庭的意见置之不理，而崇祯又对杨嗣昌言听计从。次年，朝廷调孙传庭总督保定、山东、河南军务，孙传庭立即上疏请见皇帝，但因杨嗣昌的百般阻挠而未成。孙传庭心中愠怒，引病告休。杨嗣昌趁机弹劾孙传庭，言孙传庭称病乃推托之举。崇祯帝大怒，将孙传庭贬为平民后，又将其囚禁。
崇祯十三年(1640)，河南遭遇了百年难得一遇的大饥荒，李自成趁势起兵，张献忠也降而复叛，在孙传庭下狱的三年期间，明军连遭败绩，李自成拥兵数十万，横行中原，局面一发不可收拾。值此危急关头，崇祯又想起了孙传庭，但为时已晚。崇祯十六年(1643)，朝廷命孙传庭为兵部尚书，总督诸省军务，并催促孙传庭出潼关，与李自成决战。兵部侍郎张凤翔进言"孙传庭所有皆天下精兵良将，皇上只有此一付家当，不可轻动"。崇祯帝对此良言置若罔闻，继续催逼孙传庭出关迎战。
孙传庭不想仓促出战，可是朝廷一再催逼，孙传统顿足叹道：奈何乎！吾固知往而不返也，然大丈夫岂能再对狱吏乎！只得亲率十万秦军出师潼关。九月，孙传庭在汝州兵败，明军四万余人战死，损失大量兵器辎重。十月初，李自成攻克潼关，总兵白广恩、陈永福投降李自成。李自成以十万军围攻孙传庭，孙传庭挥刀冲入敌阵，壮烈殉国，时年五十一岁，其妻儿老小闻知其死讯，皆自杀殉国。
