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当孙传庭行过徐沟时，因清军南下真定、保定，兵部便急令孙传庭赴援，孙传庭随即勒兵改走井陉，至十九日晚抵达，立刻攻击围城清军，迫其退去。次日，清兵又围城南，孙传庭即选精骑出击，追杀十余里而还，至二十一日，清军退去，孙传庭又在晚间命士卒举火袭扰，令清军大惊。二十四日，因卢象升己率兵在二十二日赶到真定，孙传庭即继续北上，两日后到达保定，忽然又接到兵部咨文，让他就在真定暂驻御敌。

孙传庭以为卢象升既己至，自己大可不必再往，遂移文兵部请旨。兵部发来明旨，命孙传庭以兵部添设左侍郎衔会同卢象升、高起潜协剿，他便在初五日从保定南下，次日即抵定州，因见手下兵多怯懦以致清军猖狂无忌，孙传庭深感痛心，遂上一密奏，直言不可浪战。几天后，卢象升战死巨鹿，崇祯帝命孙传庭以兵部左侍郎兼都察院右佥都御史接替卢象升，总督各镇援兵，并赐以尚方宝剑。但因为前此卢象升、高起潜相继兵败，孙传庭此时虽名为总督，实已无兵可督。

崇祯帝又任命孙传庭为保定总督，负责保定、山东、河南军务。当时，清军占领济南，明军却按兵不动，坐视山东被铁蹄蹂躏，充当督察的内阁首辅刘宇亮和孙传庭互相指责，刘宇亮称他促孙传庭出兵而不出，孙传庭则强调是刘宇亮不敢出兵，并阻止他进兵。另一方面，孙传庭上疏指责关宁总监高起潜麾下的祖宽要对济南失守负责，得罪了高起潜。尽管有刘宇亮、高起潜的掣肘，孙传庭坚持不轻出、严守备、伺机攻的既定御敌方略，在东安、武清、蓟州、冷口关等处邀击清军，取得小胜，直到三月十一日清军出塞。

孙传庭受任保定总督后，多次请求面见崇祯帝，商讨军国大事，但不仅高起潜与他不和，兵部尚书杨嗣昌也怕孙传庭“夺席”，遂屡屡阻挠，孙传庭便在通州待命。孙传庭得感冒竟致耳聋，到五月初九日上疏请辞保定总督，并举荐杨文岳替代。崇祯帝认为他在推诿责任，要求他继续负责练兵，并命兵部派人核实，回报属实后，才将他革职，并派御史杨一儁再去核实。孙传庭移驻易州，等待再次查勘，此时又有保定府学教谕尹三聘举报孙传庭，称孙传庭乱抓百姓。杨一儁再次核实孙传庭病情属实，并将尹三聘的告状称为“泄愤”而不受理。崇祯帝在杨嗣昌、高起潜等的影响下，已失去对孙传庭的信任，得到杨一儁的回报后坚称孙传庭称病“显属欺罔”，并认为杨一儁在包庇他，遂将孙传庭和杨一儁两人一并革职，派锦衣卫将孙传庭逮捕入狱。

孙传庭被捕入狱三年期间，李自成、张献忠重新起兵，熊文灿、杨嗣昌镇压不力，致其坐大，明朝国势江河日下，岌岌可危。面对每况愈下的局面，崇祯帝再次想起了孙传庭，有意起用，加上兵部尚书陈新甲、内阁首辅周延儒推荐以及孙传庭在狱中“请杀贼自效”，崇祯帝遂释放孙传庭，在文华殿召见他，询问天下大事。孙传庭表示得到五千精锐就可以剿灭义军，崇祯帝起复他为兵部右侍郎，率京营官兵救援被李自成围困的河南省城开封。不久，李自成放弃攻打开封，攻陷襄城，杀陕西三边总督汪乔年，崇祯帝遂委任孙传庭代其陕西三边总督之职。

孙传庭赴任时，还负有一个秘密使命，即处死被怀疑“通贼”的秦军援剿总兵贺人龙。孙传庭召郑嘉栋、牛成虎、贺人龙诸将至西安，在宴会结束时突然命刀斧手拿下贺人龙，数落贺人龙在开县黄陵城之战时观望不进、在项城之战、襄城之战时遇敌先溃，导致张献忠坐大以及两任陕西三边总督，被李自成所杀，遂斩贺人龙。

由于京营官兵腐败无能，而原有的秦军官兵在项城之战、襄城之战、松锦大战等战役中损耗大半，因此孙传庭抚掌叹息：“我思用秦人！”再加上他发现李自成拥兵数十万，其实力已非往日可比，便向崇祯帝提出练兵两万、给饷百万，崇祯帝很不高兴，虽然批准，但要求他在拿到军饷一个月后就须率兵出潼关围剿李自成。

此时，李自成第三次围困开封，崇祯帝任命苏京为监军，催促孙传庭出关救援开封。孙传庭表示这些新兵未经训练，不可轻易出战，崇祯不听，孙传庭只好出师。孙传庭率主力出潼关、逾太行、渡汜水，同时密遣别将出武关，自南阳鸦路趋宝丰，作为夹击李自成的偏师。

此时，开封己为水淹，李自成南趋汝宁，听说孙传庭率兵来攻，便转而向西迎击，先在南阳击溃孙传庭之偏师，然后北上与孙传庭作战。在河南郏县，官军潜至义军附近，孙传庭令部将左勷率左军，郑嘉栋率右军，高杰率中军，设下埋伏，牛成虎率前军挑战义军，诱敌深入。双方接战不久，牛成虎佯装失败，将义军引入包围圈，四面伏兵突起，义军猝不及防，向东逃窜，官军追杀三十里。当时连日降雨，粮草不济，官军不得不停止追击，并争抢战利品。