1930年初，孙殿英投靠阎锡山后被任命为军长，晋绥军将领纷纷表示不愿和一个土匪为伍。阎锡山说：“你们不要小看孙殿英，他的本事可不小，要是被蒋介石拉过去，那可就大不妙了。” 不久前，唐生智在河南起兵反蒋，不想本来答应一同参与的阎锡山，却突然翻脸，派晋绥军加入了老蒋组织的“讨唐联军”。 唐生智被击败后，阎锡山派人和驻军洛阳一带的第十师师长孙殿英联络。孙殿英自“东陵盗宝”以来，和南京的关系很是微妙，一直担心遭到处理，面对阎锡山的拉拢，是一拍即合。 阎锡山给了孙殿英晋绥军军长的头衔，将势力扩展到河南，孙殿英有了阎锡山这个大靠山，暂时也就不必担心南京的军事威胁了。 晋绥军的将领，大都有军校生的身份，像孙楚、王靖国、赵承绶、梁培璜、傅作义等阎锡山的“十三太保”，全是清一色的保定军校毕业，他们对阎锡山收编孙殿英不以为然，认为这是引狼入室，一旦有战事，土匪出身的孙殿英恐怕是成事不足败事有余。 阎锡山赴河南和孙殿英见完面回到太原后，专门召集亲信开会，说：“我知道你们不服气孙殿英，可这个人不要小看，你们都是军校毕业，按部就班的一步步晋升，要靠我发军饷才能维持部队。孙殿英不同，他是白手起家，自成体系，独立性很强。如果不把他收过来，而被南京所用，将来若有冲突，对咋们也是不利的。” 孙殿英被任命为军长后不久，来到太原向阎锡山“谢委”。孙殿英知道晋绥军将领对他不待见，因此来的时候带来不少厚礼，向在太原的晋绥军师长以上将领，逐个登门拜访，态度恭敬。 孙殿英在太原待了一个多月，整日宴请晋绥军将领，他为人圆滑能屈能伸，加之又出手大方，很快和众人打成一片。 有一次，孙殿英在和晋绥军几个军、师长喝大后，互换“兰谱”，结为异姓兄弟，因孙殿英年龄最大，被大家称为大哥。 在临走前，孙殿英在住所开设赌局，招呼晋绥军将领参加。几天下来，晋绥军将领们发现，除了孙殿英外，他们几乎都是只输不赢，输的最多的一个军长，一夜之间被孙殿英拿走了近十万银元。 孙殿英太原之行为了结交，花费甚多，可在临走前几天，他从赌局赢得更多。当孙殿英喜气洋洋的离开太原时，一众晋绥军将领心情复杂。 中原大战爆发前夕，阎锡山委任孙殿英为反蒋联军第五路军总指挥兼安徽省主席，让其率部前往皖北驻防，司令部设在亳州。 镇嵩军统领刘镇华，在投靠阎锡山后，和南京的往来也未断过，他认为反蒋没有胜算，在劝说阎锡山无果后，将部队指挥权交给弟弟刘茂恩后，以“出国考察”为名，躲避风头。 原镇嵩军大将万选才，和刘茂恩不和，率部脱离镇嵩军后，被阎锡山任命为第六路军总指挥。阎锡山向万选才承诺，一旦中原战事开启，将河南省主席的位置交给他。 阎锡山的这番人事调整，晋绥军将领普遍反对，有人说：“刘镇华、刘茂恩兄弟，一直谋求河南省主席的职务。大战在即，河南省主席既然内定了万选才，那么安徽省主席应该给刘茂恩，否则如何让其卖命？” 阎锡山不以为然的说：““刘镇华已远走，刘茂恩在我面前，还是个乳臭未干的小子，成不了气候。” 爱打算盘的阎锡山，这次失算了。在中原大战打响后，怀恨在心的刘茂恩派兵突袭，将万选才抓捕后送去南京。刘茂恩的倒戈，使得阎、冯联军在陇海路的局势逆转，遭受沉重打击。 蒋军在陇海路稳住局势后，调集兵力将孙殿英部团团包围在亳州。孙殿英面对好几万蒋军的围攻，竟然在亳州守了二个多月，后在西北军将领孙连仲率四个师的接应下，撤离亳州。 亳州之战有个插曲，孙连仲和孙殿英前后夹击，击败城外的蒋军后，突然率部脱离亳州，迅速西撤。不知所以然的孙殿英，乘车追上孙连仲询问原因，孙连仲无奈的拿出冯玉祥的电报。 原来，老蒋派河南籍大员张钫去亳州劝降孙殿英，孙殿英将张钫扣为人质，从老蒋处索要了十万大洋的赎金后，将张钫释放。 张钫被释放后，蒋军到处散布孙殿英已投降的消息。冯玉祥得知后，难辨真假，电令刚到亳州城外的孙连仲，马上率部后撤。 孙殿英无奈之下，只得下令亳州的残部出城，和孙连仲合兵一处。 孙殿英在亳州之战中，抵抗的很是顽强。从这点而言，相比石友三这类“倒戈将军”，孙殿英还是有点底线，多少讲点义气。 印刷局是专门印制假钞的，主要以伪造山西票为主。阎锡山和老蒋和解，东山再起重返山西后，派人警告孙殿英，孙殿英这才将印刷局撤销。 在晋城不到一年，孙殿英的部队扩充到三万多人，并重新被任命为军长，再次成为小军阀。
