孙传庭逐奉命赴陕西代行其职。孙传庭到任后，立即奉旨扣押了原抚剿总兵贺人龙，将其正法。为对付日益壮大的起义军，孙传庭日夜加紧整肃军务。崇祯十五年(1642年)五月，李自成第三次包围了开封，崇祯帝连催孙传庭火速出关入豫。孙传庭则上疏回复：“兵新募，不堪用”。但心急如焚的崇祯帝不加理会，只是逼迫孙传庭尽快救援开封。孙传庭只得起兵驰援，于九月底进抵潼关。时恰逢大雨连下数十日，河水骤涨，李自成遂决黄河马家口段，水灌开封。就在孙传庭的援军刚出潼关之时，李自成早已挥军南下，撤离了成为水乡泽国的开封，于是孙传庭便挥军直趋南阳。李自成与罗汝才合兵，与孙传庭的陕西军交战，并在郏县大败之。孙传庭率残部逃至巩县，由孟塬进入陕西。

　　孙传庭败回陕西后，决心死守潼关，以扼京城之上游要地。当时明军因在郏县之战中损失惨重，补充了许多新兵。根据这种情况，孙传庭制定了不宜速战，开垦屯田，修缮兵器，储存粮食的战略方针。为对付李自成强大的骑兵，增强明军的火力和防护能力，孙传庭特地赶制了三万辆载有火炮的“火车”，这种“火车”行进时可抵御骑兵的冲击，驻扎时则可环阵拱卫。崇祯十六年(1643年)五月，明廷授孙传庭为兵部尚书，并加督河南、四川、山西、湖广、贵州及江南、江北七省军务，令其迅速兵出潼关。此时，李自成已相继歼灭了明军数支主力，久经战阵，兵强马壮。孙传庭深知与如此强大的对手交战必是凶多吉少，不由得顿足叹息：“奈何乎!吾固知往而不返也，然大丈夫岂能再度对狱吏乎!”表示了宁死疆场的决心。八月十日，孙传庭师出潼关，最初在汝州、灵宝、唐县(今河南泌阳)、郏县连胜起义军，但襄城一战遭到惨败，他逃回陕西。

　　起义军缴获了孙传庭的帅旗，士气大振，一鼓作气，乘胜攻破潼关。孙传庭与监军副使乔迁高策马大呼，战死阵中。但是孙传庭的尸体一直未找到，以至后来崇祯帝对其下落产生了怀疑，始终未追封加谥于他。孙传庭之死，对李自成的起义军来说，关中唾手可得。同时，明廷再也没有可以同李自成相抗衡的悍将劲旅了。