，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