1942年2月,中國組成遠征軍,下轄第5軍、第6軍和第66軍,新38師編入第66軍建制。4月,孫立人率新38師抵達緬甸,參加曼德勒會戰。4月17日,自西線撤退的英緬軍步兵第1師及裝甲第7旅等部被日軍阻攔于仁安羌,糧盡彈缺,水源斷絕,陷於絕境,孫立人奉命派113團團長劉放吾率團星夜馳援。18日淩晨,孫立人親自從曼德勒趕往前線指揮113團向日軍發起猛烈攻擊,19日至午即攻克突破了日軍防線,解救英緬軍及難民、政府官員、傳教士、記者等七千餘人。此戰經新聞媒體宣傳,得到全球注目。戰後,國民政府頒發孫立人四等雲麾勳章一枚,英皇喬治六世授予“豐功勳章”、美國總統羅斯福授予“國會勳章”一枚並在頒發頌詞中寫道:“中國孫立人中將,于1942年緬甸戰役,在艱苦環境中,建立輝煌戰績,仁安羌一役,孫將軍以卓越的指揮殲滅強敵,解救英軍第1師之圍,免被殲滅,後複掩護盟軍轉移,於千辛萬苦之中,轉戰經月,從容殿后,其智勇兼備,將略超人之處,實足為盟軍楷模”。
仁安羌戰後,新38師掩護英軍撤退。4月下旬,英軍撤過曼德勒後繼續向西撤往印度,遠征軍司令長官羅卓英與史迪威並令各軍向西撤入印度,而國民政府則令全軍向北返回雲南。遠征軍第一路軍副司令長官兼第5軍軍長杜聿明選擇回國,孫立人奉命率新38師為第5軍殿后。5月9日,杜聿明見滇緬公路上的密支那已被日軍佔領,急令各部向西北穿越野人山回雲南,並要求新38師繼續殿后。
孫立人當即表示反對,認為繞過密支那經野人山路途較遠,且道路艱難,杳無人煙,給養困難。而目前遠征軍尚有4個師,不如集中兵力,趁敵立足未穩,奪回密支那,沿滇緬公路回國。杜聿明則認為側翼第6軍及第66軍均已潰散,反攻屬於天方夜譚,而全軍在自南向北的綿延戰線上向西轉向等同自殺,必須抓緊時間在雨季前撤回國內。孫立人拒絕服從杜的命令,而按照史迪威和司令官羅卓英的命令,率新38師向西撤往印度。撤退途中,他親自端起衝鋒槍率領士兵衝鋒陷陣,突破了日軍小部隊的阻擊。部隊裝備不但沒有損失,還收容了數以千計的難民和英印散兵。
5月底,孫立人率新38師到達印度邊境,部隊到了近印度的山上休整。孫將軍命令下屬向山上的村民借糧和日用品,並付錢給他們。部隊士兵於是流衣理髮,整飾儀容,修理和擦亮槍枝等武器,待部隊恢復體力,才命人通知當地印度官員準備入印。不料英駐印邊防軍竟要中國軍隊解除武裝,以難民身份進入印度。孫立人見英國人忘恩負義,翻臉不認人,下令部隊準備戰鬥。剛巧,被新38師在仁安羌解救過的英軍第1師師長正在該地醫院治病,聞知情況後,警告當地英軍將領說:“這支中國軍是能打仗的,不信你去看看再說吧!”英軍將領將信將疑來到新38師營地,孫立人拉出一支儀仗隊,在營門口迎接。
200名精壯士兵,往營門口一站,就是一堵牆。士兵們軍裝是破了點,但槍支雪亮,個頭是矮了點,但精神飽滿。儀仗隊前頭,擺著2門小鋼炮,4挺重機槍。英軍將領大為驚異,他見過從緬甸敗退回來的英軍,為保老命,不用說槍炮,連衣服褲子都扔掉了,只穿條褲衩跑了回來。而中國士兵硬把鋼炮和重機槍都扛了過來,真是不可思議。英軍將領問中國機槍手是如何把重機槍扛過來的?中國兵立正大聲回答:“武器是我們的生命。人在武器在。”英國人聽後,明白了個中道理:武器是中國士兵的生命,你要繳他的槍,能答應嗎?孫立人接著領英國人參觀營房,並安排了軍事表演。英軍將領看完後肅然起敬,態度為之一變。第二天,新38師軍容整齊地開進印度。英軍儀仗隊列隊奏樂,鳴炮10響以表歡迎。
1942年8月,先後到達印度的中國遠征軍新38師和新22師進駐印度蘭姆珈訓練基地,番號改為中國駐印軍,並利用從昆明返航的運輸機運載士兵到蘭姆珈補充兵源開始裝備美械和訓練。10月,中國駐印部隊改編為新1軍,鄭洞國任軍長,下轄孫立人新38師和廖耀湘新22師。1943年10月,中國駐印軍開始向緬北大舉反攻。
第2次緬甸戰役開始,孫立人指揮新38師如下山猛虎般撲向胡康河谷。10月29日佔領新平洋,12月29日攻佔於邦。
佔領於邦後,孫立人攻勢不減,於1944年2月1日攻克太白加,3月4日與廖耀湘新22師兩路夾擊攻克孟關。3月9日,孫師113團與美軍突擊隊聯手攻佔瓦魯班。日軍第18師團損失慘重,退出胡康河谷。據日軍戰史記載:“在九州編成,轉戰中國,素有把握的第18師團,與中國軍戰鬥最自信,豈料胡康河谷的中國軍隊,無論是編制、裝備,還是戰術、技術,都完全改變了面貌……使我軍損失慘重……全軍不禁為之愕然。”
駐印軍攻佔胡康河谷後,3月14日乘勝向孟拱河谷進攻。新38師113團從左翼翻山越嶺迂回到堅布山后方,和新22師兩面夾擊,29日攻佔堅布山天險,叩開了孟拱河谷的大門。4月24日,按史迪威的計畫,新38師和新22師分別向孟拱和加邁攻擊前進。5月下旬,孫立人從繳獲的日軍信件中獲知:由於日軍第18師團主力在索卡道被新22師包圍,加邁城內兵力極為空虛,師團長田中新一坐守空城,驚恐萬狀。
孫立人見機而行,不拘泥于原定計劃,以112團秘密渡過南高江,向加邁南面的西通迂回,切斷加邁日軍的後路;以113團向西進取加邁;以114團向南對孟拱實施大縱深穿插。6月16日,113團與新22師會師加邁,日第18師團團長田中新一率1500餘殘兵倉皇南逃。6月25日,孫師114團攻克孟拱。8月3日,中美聯軍克復密支那。至此,反攻緬北的第1期戰鬥結束。中國駐印軍給日軍第18師團等部以毀滅性打擊,一雪兩年前兵敗緬甸的恥辱。史迪威稱此戰為“中國歷史上對第一流敵人的第一次持久進攻戰”。
中國駐印軍攻克密支那後,部隊進行休整擴編,由新1軍擴編成兩個軍,即新1軍和新6軍。孫立人任新1軍中將軍長,下轄新38師和新30師(後廖耀湘新6軍回國增援國內抗戰,50師編入新1軍)。
1944年10月,反攻緬北的第2期戰鬥開始。中國駐印軍由密支那、孟拱分兩路繼續向南進攻。孫立人率新1軍為東路,沿密支那至八莫的公路向南進攻,連續攻取八莫、南坎。1945年1月27日,新1軍與滇西中國遠征軍聯合攻克中國境內的芒友,打通了滇緬公路。隨後,孫立人指揮新1軍各師團繼續猛進,3月8日攻佔臘戍,3月23佔領南圖,24日佔領西保,27日攻克猛岩,勝利結束第2次緬甸戰役。
孫立人和他的新38師、新1軍,在遠征緬甸,協同盟軍抗擊日本侵略者的戰鬥中,東征西討,迭克強敵屢建戰功,其運用的戰術、顯示的戰力為國內外各方充分肯定和高度讚揚。當時的國內輿論界讚譽孫立人為“東方的隆美爾”。
1945年5月,應歐洲盟軍最高司令艾森豪之邀,孫立人赴歐考察歐洲戰場。7月,孫立人率新1軍返抵廣西南寧,準備反攻廣州。8月15日,侵華日軍投降。9月7日,孫立人率軍進入廣州,接受日軍第23軍投降。抗戰勝利後,新1軍與新6軍被調往東北進行內戰,不過因為與東北九省保安司令長官杜聿明不和,孫立人被調回南京國防部任職,實際己遠離戰場。1947年11月,孫立人將陸軍訓練司令部遷至臺灣鳳山,主持新兵訓練。1955年8月因所謂“兵諫”事件被軟禁於台中近33年,直至1988年3月恢復自由。
1990年11月19日,一代名將孫立人將軍在台中市去世,享年90歲。