1642年二月，李自成第二次围攻开封，形势危急，崇祯无奈再次起用了孙传庭，命他率军驰援开封。没想到李自成突然解围开封，擒杀了三边总督汪乔年，于是朝廷让孙传庭接任三边总督，回到了阔别三年的陕西大地。他抓紧时间休养生息、整训部队。但时不待他，随着起义军再次包围开封，急躁的崇祯皇帝命他出潼关救援开封。孙传庭知道皇命难违，只好先处决了拥兵自重、不听招呼的陕西总兵贺人龙，然后率军悄悄出关，用诱敌之策在柿园大败义军。但由于粮草供应不上，起义军大部队反攻倒算，孙传庭先胜后败，率军一路狂奔回陕西。
孙传庭回到陕西，到处招兵买马、置办武器、存蓄粮草。崇祯也对他寄予厚望，任命其为兵部尚书，总督七省军务，把明朝仅存的精锐之师10多万人全给了他。1643年八月，在崇祯的再三催促下，孙传庭在西安关帝庙誓师，率兵东出潼关与李自成决战。此时河南境内连年大旱，粮草稀缺，李自成采取了诱敌深入的战略，主动放弃了陕西潼关至河南郏县的广阔地带，让明军"势如破竹"地一路挺进。由于起义军将领李养纯投降，向明军透漏了消息，导致起义军在郏县战斗中损失惨重，李自成差点被擒。起义军败逃襄城，明军尾随而至，重兵围城，起义军岌岌可危。关键时刻，天降大雨，整整下了7天7夜，道路一片泥泞，明军的运粮车难以驱动，粮草供应出现问题。李自成又趁机派人抄明军后路，切断明军粮道。明军被大雨淋成落汤鸡，又没有饭吃，时间一长，军心浮动。孙传庭无奈，只好下令回师迎粮。
明军撤退途中，负责殿后的部队不满自己当替死鬼，乱成一团，纷纷逃跑，导致明军全线溃散，一直到河南汝州一带才收拢住队伍，随即与义军展开大战。起义军设立了五重战阵，明军攻破前三重，却无法攻破第四重的义军精锐之师，明军斗志渐失，起义军乘机反攻，明军全线溃败。起义军倾巢而出，穷追猛打，歼灭明军4万余人，缴获兵器辎重无数，明朝最后一点值钱的家当损失殆尽。汝州之战是决定明朝命运的战略性决战，此战过后，明军已无可用之军来抗衡起义军。孙传庭率残部退还潼关，李自成率军一天一夜狂追400里，并用孙传庭的帅旗骗开潼关城门。双方在城内展开混战，孙传庭当场战死，死后尸骨无存。
