明廷于崇禎十五年（1642年）以孫傳庭為兵部右侍郎，速命孫傳庭率禁衛軍馳援開封。李自成在久攻不下的情況下，果斷地撤出了開封之圍，并在以后的襄城之戰中殺死了陜西總督汪喬年，孫傳庭逐奉命赴陜西代行其職。孫傳庭到任后，立即奉旨扣押了原撫剿總兵賀人龍，將其正法。崇禎十五年（1642年）五月，李自成第三次包圍了開封，崇禎帝連催孫傳庭火速出關入豫。孫傳庭則上疏回復：“兵新募，不堪用”。但心急如焚的崇禎帝不加理會，只是逼迫孫傳庭盡快救援開封。孫傳庭只得起兵馳援，于九月底進抵潼關。時恰逢大雨連下數十日，河水驟漲，李自成遂決黃河馬家口段，水灌開封。就在孫傳庭的援軍剛出潼關之時，李自成早已揮軍南下，撤離了成為水鄉澤國的開封，于是孫傳庭便揮軍直趨南陽。李自成與羅汝才合兵西進，與孫傳庭的陜西軍交戰，并在郟縣大敗之。孫傳庭率殘部逃至鞏縣，由孟塬進入陜西。

孫傳庭敗回陜西后，決心死守潼關，以扼京城之上游要地。當時明軍因在郟縣之戰中損失慘重，補充了許多新兵。根據這種情況，孫傳庭制定了不宜速戰，開墾屯田，修繕兵器，儲存糧食的戰略方針。為對付李自成強大的騎兵，增強明軍的火力和防護能力，孫傳庭特地趕制了三萬輛載有火炮的“火車”，這種“火車”行進時可抵御騎兵的沖擊，駐扎時則可環陣拱衛。崇禎十六年（1643年）五月，明廷授孫傳庭為兵部尚書，并加督河南、四川、山西、湖廣、貴州及江南、江北七省軍務，令其迅速兵出潼關。此時，李自成已相繼殲滅了明軍數支主力，久經戰陣，兵強馬壯。孫傳庭深知與如此強大的對手交戰必是兇多吉少，不由得頓足嘆息：“奈何乎！吾固知往而不返也，然大丈夫豈能再度對獄吏乎！”表示了寧死疆場的決心。八月十日，孫傳庭師出潼關，最初在汝州、靈寶、唐縣（今河南泌陽）、郟縣連勝起義軍，但襄城一戰遭到慘敗，他逃回陜西。

起義軍繳獲了孫傳庭的帥旗，士氣大振，一鼓作氣，乘勝攻破潼關。孫傳庭與監軍副使喬遷高策馬大呼，戰死陣中。

孫傳庭自萬歷四十七年（1619年）中進士至崇偵十六年（1643年）兵敗身亡的25年間，他由永城知縣，逐步升至兵部尚書，統領七省軍務，先后參與并主持了數十次對明末農民起義軍的鎮壓活動，深得明廷賞識。不論是在“四正六隅”的聯合圍剿中，還是在“汛守要隘”的單獨行動中，他都以其獨有的狡黠、多謀、果斷，使農民起義軍多次處境艱險，成為明廷手中一張不可多得的王牌。故此，《明史》有“傳庭死而明亡矣”的說法。