Trong Trận Thượng Hải năm 1937, Tôn đang là Đại tá, đã chỉ huy đơn vị của mình là Trung đoàn cảnh sát thuế tham chiến. Ông bị trúng mảnh mìn, bị thương nặng. Sau khi hồi phục, Tôn dẫn quân quay lại tiền tuyến. Sau đó, Chính phủ Quốc dân thành lập Lữ đoàn Thuế muối Quốc dân với 8 trung đoàn. Đây là những đơn vị Quốc dân đảng tinh nhuệ được trang bị tốt nhất. Trên cơ sở đó 4 trên 8 trung đoàn được tổ chức thành Sư đoàn 38 do Tôn làm tư lệnh. Trung tâm huấn luyện đặt tại Đô Quân, Quý Châu.

Sau 2 năm huấn luyện, Sư đoàn 38 hành quân đến Miến Điện bảo vệ tuyến đường Miến Điện dưới quyền Đỗ Duật Minh. Tôn dẫn quân cứu viện 7,000 quân Anh bị quân Nhật bao vây trong Trận Yenangyaung. Dù không ngăn được quân Nhật cắt đứt tuyến đường Miến Điện, Tôn vẫn được tướng William Slim, Tư lệnh Quân đoàn 14 Anh, kính trọng tài năng. Tôn rút quân về Ấn Độ và trở thành một phần của 'Lực lượng X', biệt danh của các lực lượng Trung Hoa dưới quyền Joseph Stilwell. Vị tướng Hoa Kỳ chỉ huy các lực lượng liên hợp Hoa-Mỹ trên mặt trận "Trung Hoa-Miến Điện-Ấn Độ". Sư đoàn của Tôn làm tiên phong trong chiến dịch tái chiếm Bắc Miến năm 1943 và tái lập liên lạc với Trung Hoa qua tuyến đường Ledo.