抗日战争爆发后，日军重兵进攻山东地区，而“山东王”韩复榘为了保存实力，擅自放弃济南等重镇，导致日军轻而易举占领山东大部分地区。
由于韩复榘多次暗中参与反蒋事宜，所以蒋介石就趁这次机会，用临阵脱逃的罪名，把韩复榘给枪毙，顺便也给其他的军阀巨头一个警告。韩复榘死后，他的部队被孙桐萱、曹福林、谷良民、展书堂四人继承，接着这四人明争暗斗，最终孙桐萱取得胜利，继承了第三集团军总司令的位置。
孙桐萱
1895年，孙桐萱出生于河北交河，父母都是普通农民，家里一共兄弟四人，他排行老二。由于家里太穷，孙桐萱七岁的时候，被过继给叔叔孙锡荣，但生活也强不了多少，在私塾读了三年私塾后，就被送到县城的商铺当学徒。
1917年，冯玉祥的北洋第十六混成旅，在河北一带招兵，孙桐萱抱着当兵吃粮的思想，进入了第十六混成旅的学兵营，之后参加了讨伐张勋复辟的军事行动。
1921年，冯玉祥担任陕西督军，于是把第十六混成旅扩编为陆军第十一师，这时候孙桐萱当上连长，韩复榘是他的团长。
1924年9月，“第二次直奉战争”爆发的时候，吴佩孚率领直军主力，到山海关和张作霖的奉军作战，吴佩孚任命冯玉祥为第三路军总司令。10月，正当吴佩孚率兵和奉军血战的时候，冯玉祥突然调头返回北京，和胡景翼、孙岳一起联手发动北京兵变，把北洋总统曹锟给软禁，导致吴佩孚在前线大败。
冯玉祥
等兵变成功后，冯玉祥就派心腹鹿钟麟率兵到紫禁城，把溥仪给赶出皇宫，鹿钟麟让孙桐萱带一个连看管溥仪一行人。
1926年9月，北伐战争时期，冯玉祥在苏联取得军事援助后，在五原誓师，宣布加入国民政府，组建西北国民军参加北伐，韩复榘为西北国民军第三路军总指挥，孙桐萱升为旅长。
1927年4月，国民政府改编西北国民军为第二集团军，冯玉祥担任总司令，孙桐萱升为第十五师师长。
1928年底，由于张学良在东北宣布易帜，所以北伐战争结束，蒋介石要求各大军头裁军，因此韩复榘降为第二十师副师长，孙桐萱为副师长。
1929年，韩复榘和孙桐萱一起率兵到达武胜关，在汉口受到蒋介石的拉拢。
冯玉祥、蒋介石、阎锡山
1930年，“中原大战”爆发前夕，韩复榘和冯玉祥发生矛盾，于是韩复榘带着孙桐萱等人投奔蒋介石，韩复榘被任命为第三路军总指挥，孙桐萱为第二十师师长。不久后，阎锡山、冯玉祥、李宗仁等人联手反蒋，“中原大战”爆发，孙桐萱率兵在山东和阎锡山的晋绥军作战，短暂的当过济南警备司令。
“中原大战”结束后，韩复榘当上山东省政府主席，孙桐萱就率兵驻守在兖州，这一驻守就是六年的时间。当时蒋介石为了拉拢孙桐萱，就把山东的烟税交给孙桐萱管理，让他从中赚了不少钱，而他用这些钱为兖州做了很多建设。
孙桐萱在兖州修建了新东门和新西门两个城门，和兖州城区的道路。
1933年初，孙桐萱在兖州发现了很多孤儿，于是他和地方乡绅联系，主动出资两万元，开办了一家孤儿学校，不光管这些孤儿生活，还教他们读书。为了让这些孤儿们有个生计，孙桐萱开办了“孤贫学校习艺所”，专门制作香烟贩卖，从孤儿学校毕业的学生，都能来这里上班。
孙桐萱
1933年底，孙桐萱在孔子的故乡曲阜，特地安排士兵修建了公路，还种植了树木，把这条道路取名“孔道”，方便外地人来参观孔子的故乡。
孙桐萱治军特别严格，士兵们除了平时的日常训练外，思想和生活也很严谨，孙桐萱不许官兵们当着自己的面抽烟，有一次他在检查部队的时候，从一个士兵身上发现一根没有抽完的烟，孙桐萱命令这个士兵把烟吞到肚子里面。为了提高士兵们的思想觉悟，孙桐萱在部队里面开办了培训班，还创办《猛进》月刊，只要评选为优秀士兵的人的都会得到奖励，因此使士兵们的积极性很高。
1935年，孙桐萱率兵驻守在兖州的时候，蒋介石在庐山开办了军官训练团，蒋介石亲自担任团长，并且委任孙桐萱为营长。为了拉拢孙桐萱，蒋介石专门派人把孙桐萱的叔父孙锡荣接到庐山游玩，两个人还合影留念，蒋介石称呼孙锡荣为老伯，这都是蒋介石收买人心的手段。
当时日本人经常拉拢韩复榘，想让他搞所谓的“山东独立”，但在孙桐萱等几个师长的反对下，韩复榘拒绝了日本人的拉拢。
韩复榘
1936年，日本人在华北不断制造军事摩擦，为了防备日本人，孙桐萱在兖州对当地的青年进行军训，在每个乡镇都派了教官，还举行了阅兵仪式。
1937年，抗日战争爆发后，韩复榘担任第三集团军总司令，孙桐萱为第十二军军长，兼第二十师师长，率兵驻守济南北部，当济南沦陷后，孙桐萱率兵退往山东南部的曹县。在撤退的途中，韩复榘收到孔祥熙的电报，蒋介石要求他把孔子的后人孔德成带走，于是韩复榘把这个任务交给孙桐萱。
孙桐萱到了曲阜后，要求孔德成一家人两个小时内立刻离开，但孔德成的妻子正要生孩子，不愿意马上走。面对孔德成的犹豫，孙桐萱态度很强硬，说他已经准备好了医护人员随行，保证孔德成的妻子可以安全分娩，因此孔德成决决定离开曲阜。
1938年1月，韩复榘到开封去参加军事会议，结果他刚到开封，就被蒋介石以临阵脱逃的罪名逮捕，孙桐萱多次想办法营救，都没有成功，最终韩复榘在汉口被枪毙。韩复榘死后，蒋介石任命东北军的于学忠为第三集团军总司令，孙桐萱为副司令，但于学忠在曹县没有待多久，就去往蚌埠了，只把参谋长留在曹县。
于学忠
抗日战争爆发后，孙桐萱很赞同共产党提出的统一战线，因此和共产党有很多来往。
1938年初，孙桐萱在曹县的时候，山东省政府临时办公点柳河，关押着五百多个共产党员和社会进步人士，共产党的代表找到孙桐萱，希望他能帮忙解救这批人，孙桐萱爽快的答应了。在新任山东省主席沈鸿烈还没有到任之前，孙桐萱把这批人给强行释放。
1938年4月，“台儿庄战役”的时候，孙桐萱率兵在鲁西南抵抗日军，还派谷良民的第二十二师，把济宁给暂时收复了，掩护了台儿庄的守军。薛岳指挥“兰封会战”的时候，孙桐萱派第二十师副师长张测民带兵支援，当徐州沦陷后，孙桐萱又指挥第十二军向许昌进攻，消灭了五百多个日军。
不久后，孙桐萱正式成为第三集团军总司令，为了巩固自己的权力，他开始对付其他的韩复榘旧部。谷良民和韩复榘感情最好，二人还是亲家，当韩复榘死后，谷良民心灰意冷，于是主动辞去师长职务。师长展书堂的部队，在和日军的作战中损失惨重，孙桐萱用明升暗降的方式，夺取了展书堂的兵权。
曹福林
第五十五军军长曹福林，不满孙桐萱当上第三集团军总司令，因此二人经常爆发矛盾，孙桐萱又处理不掉曹福林，只好向蒋介石请求，把曹福林的部队编入刘汝明的第二集团军。通过孙桐萱的一番操作，终于控制了第三集团军，但他手里只剩下一个第十二军。
孙桐萱率兵到湖北武昌一带和日军作战，当武汉沦陷后，他率兵撤往河南郑州。
1939年，孙桐萱私人资助了五千元，给新四军第六支队的战士购买棉衣棉裤。
1940年，中共地下党员朱晦生，担任第三集团军的机要室主任，孙桐萱知道朱晦生的真实身份。有一次军统河南站站长岳烛远查获一份文件，发现朱晦生地下党的身份，当时朱晦生跟着孙桐萱到洛阳开会，经过荥阳的时候，岳烛远找到孙桐萱，说他的秘书朱晦生是地下党，并且拿出抓捕令。
汤恩伯
孙桐萱根本不理岳烛远，直接把抓捕令丢到地上，说朱晦生是自己的人，谁也不许动，岳烛远看到孙桐萱不交人，就把这件事告诉给第一战区副司令汤恩伯。不久汤恩伯给孙桐萱打电话，要求他把朱晦生押到漯河，但孙桐萱用生命担保，才使朱晦生逃过一劫。
1941年，中共地下党员林冰、曹楚二人，被中统特务给抓捕，关押在郑州，孙桐萱知道这件事后，派副官把二人解救出来。
1942年，共产党员刘鸿文经过灵宝县，居住在朱晦生的家里，孙桐萱还特地派人保护他的安全。
1942年底，蒋介石听说孙桐萱和共产党走得近，而且孙桐萱又想把部队来往晋南发展，蒋介石怕孙桐萱和八路军联手，于是让蒋鼎文和汤恩伯，在洛阳的第一战区司令部把孙桐萱给逮捕，然后押往重庆，蒋介石要亲自审问。
蒋介石是想直接处死孙桐萱，但军事委员会的其他委员，说孙桐萱“通共”证据不足，反对判处孙桐萱死刑，加上蒋介石怕影响到其他西北国民军旧部，于是就把孙桐萱软禁起来，还把八十九岁的孙锡荣也接到重庆一起软禁。
孙桐萱
孙桐萱在重庆被关押八个月后，才适当的获得一些自由，可以外出转转，但随时有特务跟着。后来蒋介石取消第三集团军，给了孙桐萱一个中将参议的虚职。
1946年，孙桐萱离开军界，到北平居住。
从前孙桐萱在天津的东亚毛纺厂投资过五万元，在他退出军界后，生活开始变得紧张，于是跑去向东亚毛纺厂的董事长宋棐卿要钱。而宋棐卿觉得孙桐萱已经退出军界，所以就想赖账，不承认孙桐萱有投资东亚毛纺厂，气的孙桐萱动用关系，告宋棐卿“投敌附逆”，最后宋棐卿没有办法，只好花钱消灾，和孙桐萱把账算清楚了。
1949年，北平和平解放的时候，孙桐萱带着旧部们一起欢迎解放军进入北平。
1950年，新中国成立后，孙桐萱担任过全国政协委员等职务。
1978年，孙桐萱在北京去世。
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