张作霖任东三省巡阅使后，策动反对吉林督军孟恩远。
1919年7月6日，北京政府授孟恩远“惠威将军”空头衔，令其进京供职。
同时，任鲍贵卿为吉林督军，孙烈臣为黑龙江督军。孟恩远拒不服命，举兵反抗。
张作霖决以武力征服，任吴俊陞为北路军总司令，率部由大责向南推进，与南路军总司令孙烈臣形成南北夹击吉林之势，迫使孟恩远就范。
8月，孙烈臣授陆军上将衔，兼署黑龙江省长。10月，获一等文虎章。
11月，兼滨黑铁路督办。
1921年3月12日，吉林督军鲍贵卿去职，孙烈臣调署吉林督军，兼署吉林省长，吴俊陞署黑龙江省督军兼省长。
孙烈臣还兼任东省护路军总司令。
是年，苏俄红军围白匪，白匪审扰我东北内蒙古地区。孙烈臣奉命遗劲旅驱逐白匪军出国境，受委兼任吉海护路军总司令。
1922年，直系军阀曹锟贿选大总统，引起全国人民强烈反对。
奉系军阀张作霖利用有利形势，通电声讨，组织镇威军，率军人关，孙烈臣任镇威军副司令（总司令张作霖）。
第一次直奉战争爆发。5月，奉军战败，退兵榆关，直系军阀总司令吴佩孚挥师北上，直，奉垣，有横扫东北之势。
张作霖处境险恶，乃派孙烈臣为前敌总司令，吴俊陞为副司令，与直军再战榆关。
孙烈臣率孤军奇出锦州，独挡榆关之冲，拒守九门口，临阵督战，凡十数昼夜，人不解甲，马不卸鞍，终于转败为胜，扭转战局。
6月18日，直军全权代表王承斌、杨清臣，奉军全权代表孙烈臣、张学良，在秦皇岛海面英国军舰上签订停战条约，双方自19日起撤退军队，结束战争。
20日，东三省议会联合推举张作霖为东三省保安总司令，孙烈臣为副司令，东三省保持独立姿态。
战后，张作霖于奉天召开会议，论功行赏，孙烈臣功居首位，授勋二位。
成立东三省陆军整理处，孙烈臣晋升东三省陆军整理处统监，姜登选、张作相为副统监，张学良为参谋长。
开始重组军队，将东三省全部军队整编为步兵27个旅，骑兵5个旅，使用统一番号。并拟定治军方案，举办军校，培养军事骨干，设立航空处，筹建空军，建立东北第一座兵工厂（即奉天兵工厂），制造枪弹，加强军队战斗力，准备湔雪战败之仇。
1924年4月25日，孙烈臣因胃病不治而卒，终年52岁。
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