在1969年3月15日，中苏珍宝岛战役终于爆发。这场战斗中苏军派出了20辆坦克，30辆装甲车，步兵300余人，进犯我国的领土珍宝岛。孙玉国又带领巡逻队与兄弟分队一起，与入侵的敌军展开了激烈的战斗。
在战斗中，我军阵地指挥员不幸负伤，孙玉国这时接过了指挥权，指挥不同建制的7个分队同敌人继续战斗，最终我军击毙击伤苏军60余人（其中击毙38人），击毁击伤苏军坦克、装甲车17辆，击毁指挥车、卡车各一辆。还缴获了一辆当时苏军最先进的T-62坦克。
孙玉国的英勇事迹传到了全国，他和参加了珍宝岛战役的一批战士被授予了“战斗英雄”的称号。
