孙桐萱生于河北交河县泊镇碱场孙村，行二。事事谨慎听话，深得上司韩复榘器重，两人交情笃深。1925年韩升任国军第一军（冯玉祥）第一师第一旅旅长，孙即为副官，后随韩征战无数，随韩升迁而升迁。28年随着东北易帜，全国军队整编，韩部被缩编为第20师。冯为撤掉韩的兵权，任命其为河南省主席，孙代理师长，不久复派总参谋长石敬亭接任20师师长。石一到任便将师部内韩的人大部撤换，而因孙参军刚到“模范连”时，石敬亭为其教官，素知孙性格顺和听话，就没有为难他。而胸有韬略的孙为避嫌疑，始终未曾离开军营半步，更没有去开封见韩。
两个月后，石敬亭整训完毕，20师师长换成训练总监李中兴，对下属未做太大变动。
29年3月蒋桂战争爆发，冯启用、任命韩复榘为讨蒋第三路军司令，率20师南下。5月，韩在汉口受到蒋介石拉拢，决定投蒋。军情重大，韩独与孙议和，孙慨然应允。韩遂派人暗中除掉李中兴，任命孙为20师师长，辖58、59、60旅由驻地陕州易帜，招兵买马，队伍渐由数千人扩充到3万人，有了三个师的兵力。
1930年中原大战，韩复榘为避免和冯的旧部作战，请蒋把他调到山东，在鲁北地区与晋军作战，孙率军随往。5月上旬开始与晋军交战，互有胜负，直到6月25日韩部大败，损失惨重，不得不放弃济南，退至潍县。三天后（28日）韩自认兵败通电下野，孙桐萱、曹福林、谷良民三位师长联名挽留作罢。
8月1日，韩部得到19路军蒋光鼐的增援后全线反攻，济南收复，孙被任命为济南警备司令。此后，进入31年秋直至37年七七卢沟桥事变，孙部一直屯兵兖州。此时的20师已下辖三个正规旅（一旅驻南面藤县），还有直属师部一炮兵团、辎重营、骑兵营、工兵营，共计11个团，兵力1万4千人。
孙桐萱治军严谨，军纪严明。这和西北军的老传统有很大的关系，部队在兖州不占用民房，而是按编制，有组织地驻扎在铁路东和西关外修建的营房内。起初，张树林的五十八旅驻在西关外的营房里，赵心德的五十九旅驻在铁路东的营房里。1932年，赵旅与滕县孙华法(孙系兖州坝东马家村人)的六十旅换过一次防，此后再无大的变动。孙桐萱平时对部属管束较严，无事不许擅自走出营房，有事请假出营房也必须按时返回。因此，街上无游兵，更无寻衅闹事者。由于军饷发放及时、充足，官兵在市场上买卖公平，无有欺压百姓的事。军官家属租赁的民房，也无拖欠房租的事。群众反映，孙师与以前驻扎的其他军阀部队相比，堪称纪律严明。
兖州历来为屯兵重镇，特别是经过明、清两代的复修，周长十四多华里、青砖砌戒的城墙，变得更加高大坚固，而且城外有一丈多深的护城河环绕。可是，一个这么大的城镇，当时只有东西南北四个城门供人通行，而津浦线上的兖州车站又坐落在城外东北郊。当时，新东门到火车站之间是一片荒地，由于多年战乱，低洼不平，野草丛生。孙桐萱来兖州后，看到居民、旅客交通不变的情景，便亲自察看地形，与火车站站长商议，打算从火车站往西，修筑一条较为宽阔平坦的马路，与邻县的公路相连。
说干就干。1933年春，孙派部队在火车站西凿透城墙，开辟了新东门，接着又开辟了新西门，并在护城河上架起石桥。又将新东门到火车站之间的大片荒地购买下来，在那里盖房垒院，又叫士兵在那儿建起石门一座，嵌以刻石“新村”两个大字。建起一个由近百户当地人家和在兖州定居的外地人组成的居民新村。
孙桐萱孙的部队在操练的闲暇时间，除从事各项公益劳动外，还在农忙季节，派他们到离城不远的农村，帮助农民进行夏秋收割、播种的劳功。部队在农村劳动时，以连队为单位，自带干粮，只饮用农户的茶水。干活时，不分大户、小户，都可以得到帮助。并且，他还通知师部直属的炮兵团、骑兵营、辎重营，无代价的把骡马借给农民使用。单这一点，就与红军无异。
蒋介石为了控制韩复榘，便竭力拉拢孙桐萱，33 年3月，蒋介石在庐山设立庐山陆军军官训练团，轮流训练各地军官。蒋介石电召孙桐萱到庐山任训练团参训并任第一期营长。5月4日第一期开学，6月5日结业。在结业前10天，孙因与当时任训练团交际科少将科长的刘万春是交河同乡，因此商量希望通过陈诚（训练团副团长），向蒋介石要一张相片为孙的父亲（当年8月20）70大寿增光。蒋闻听此讯不光赠送照片（在相片背后写到：“锡荣老伯惠存”，落款是“小侄蒋中正敬赠”）。另外还赠送寿幛，寿屏6幅。寿幛上款写：“孙伯父大人七十寿辰之禧”，下款是蒋中正赠。还有5000块钱，陈诚也送寿幛一幅。
除个人私下交往，蒋还授意孔祥熙，让韩把山东省的一部分黄烟税收，交给孙师管理。这是一个很有油水的美差，每年除将部分税款上交外，孙桐萱从中获得很多的好处。他用这些钱为当地办了不少有益人民的事情。当地人都称他为“孙善人”。
孙桐萱也确实宅心仁厚。 1933年春的一天清晨，孙由侍卫人员陪同，到城东北郊去察看地形，以便研究如何开凿新东门。走到吉神庙北时，发现庙墙后的路沟中，有一个十六七岁披麻袋的乞儿，奄奄待毙。孙问是干什么的，小乞丐战战兢兢，嗫嚅无语。孙的侍卫对他说：“这是我们的师长，心眼善良，是有名的孙善人，有什么事跟他说，没亏吃”。那个小孩回答说：姓万，名叫小义，家住河南，父母双亡，听说当兵的哥哥驻在兖州，就要饭来到这里。因找不到哥哥，只好白天要饭，夜晚住在庙里。昨晚回来时，庙门已经关闭，就躺在路沟里睡着了。说得泪流如雨。孙听后，遂生怜悯之心，令人将他带回师部。此后，他又见到不少衣不蔽体的穷苦儿童，沿街乞讨流浪，使逐渐产生了出资办学、收容贫困儿童的念头。他把这个想法与地方宫绅(当时的县长，商、农会会长等人)一商议，都赞不绝口，表示积极拥护。于是就由地方士绅组成了一个校董事会。十来天就在城内收容了三十多个孤贫孩子，随后又从农村沼来二十多名。办孤儿学校，可是一件难能可贵的好事。许多孤贫儿童入校后，学校除管吃管穿外，还能学文化、学技术。孙桐萱为增加学校经费来源和安置毕业生，又办了“孤贫学校习艺所”，专事卷烟，所生产的香烟行销国内外。后来，又办了澡堂和饭馆。学校延续多年。
转眼到了1937年。八一三凇沪会战后，第三路军改编为第三集团军，孙桐萱升任第12军军长兼第20师师长，该军还辖第81师（展书堂）。日军战领平津后，一路南下，9月进入山东。韩部北上鲁北，兵力部署的大体情况是：第81师奉命驻守德州，第20师驻防禹城徒骇河一线抵抗。正当第81师与日军打得难解难分、战事胶着的关键时刻，因上海战事激烈，国民党中央将原定拨给第三集团军的重炮营全部调回南京，因此德州守军没有了重武器，与日军的武器配备更是相差悬殊，激战仅一昼夜，81师就溃退禹城，后面的20 师也受到猛攻。
接着，日军因为加紧粮弹补给，放慢了进攻速度，10月份战局相对平静。11月，韩复榘率第三集团军与日军在黄河北激战。韩亲自带领手枪营过黄河指挥，在济阳城关北一个小村指挥作战。日寇以主力攻击20师，另以一个大队附战车十几辆由惠民迂回到黄河沿岸，将济阳和韩的指挥所包围起来。从早8时开始，直到傍晚，韩的卫队损失殆尽，韩本人几乎被俘，后突围过河，骑摩托车狼狈逃回济南，所随部队大部牺牲，仅剩卫士一人。11月14日，20师也从济阳溃退下来。最惨烈的是：正在津浦铁路上的第20师60旅旅长孙学法在装甲车上设临时指挥所，被敌人的平射炮穿钢弹一击而中，60旅曹参谋长和参谋姜怀珍阵亡，孙学法也伤重而亡。随后第三集团军部队拆毁黄河铁桥撤到黄河南防守，同时任命孙桐萱为戒严司令。曹福林的29师(甲种师)全部，在津浦线济南至德州右；孙桐萱的20师(甲种师)一部及谷良民的22师(乙种师)全部，在津浦线济南至德州左；此外， 20师的另一部、受重创后撤的展书堂的81师(丙种师)全部部署在西南地区；韩设指挥部在千佛山，日寇曾两次用飞机投掷信筒向韩诱降，韩将信筒悬在指挥部门上，表示决不投降。
眼看日军就已逼近黄河北岸。战事紧急，广大官兵义愤填膺，纷纷请战。而韩为保存实力，已决意弃守山东。孙桐萱也对韩说：“如果主席不打，恐怕三路军的官兵不同意，跟主席走的就不多了。”韩闻听怒道：“去他妈的蒋该死，顾头不顾腚，只知道保卫上海等要冲，不顾山东！打打，都他妈的打光了我咋办？！不管他，保存实力要紧！”
又隔河僵持了一个多月后，12月22日夜，日军1000多人强渡黄河，第56军军长谷良民第22师（谷自兼）首先溃退，韩指挥第三集团军未进行有力抵抗，几万人面对几千渡河日军全线撤退，留下孙桐萱师在济南断后。25日，日军对济南猛攻，激战两日。27日，孙桐萱师全部撤出济南，向鲁西南的曹县集合。撤退时孙部在济南城内放火，济南一片惨相。后撤过程中，孙部20师并未一意溃逃，而在菏泽、兰封之间，择机反击，击溃日军一部，打死打伤日军百余人。撤到曹县后，孙部并未接到围歼日军土肥原部的其它指令，待命曹县，没打什么硬战。1月11日，蒋介石在开封召开军事会议，韩带孙桐萱参加会议。行前给李宗仁打电话说出怕因丢失山东受到蒋介石怪罪。李宗仁安慰他说没事儿，只要他在蒋的面前好好认个错儿就可以了。韩信以为真。结果进入会场时所有人都交出佩枪，会上蒋斥责韩不抵抗导致山东失守。韩不服辩解：“山东失守是我的责任，那南京失守又是谁的责任呢？”蒋大怒吼道：“我说的是山东不是南京，南京自会有人负责！散会！”韩当即被扣押。蒋在第二天凌晨两三点召见孙桐萱和于学忠，任命于学忠为第三集团军总司令，孙桐萱为副总司令，曹福林为前敌总指挥。孙桐萱在韩被扣后曾极力多方营救，甚至准备集合部队在黄河边作激烈的抗争，由于曹福林不同意而作罢。当时第三集团军的各个师长都受到蒋的单独拉拢，只在孙的极力坚持下，全体将领才发个电报嘴上救一下韩。孙又派张钺携60000元巨款去汉口活动，见何应钦，何成浚等人，但无济于事。1月24日，韩被执行枪决。
于学忠到曹县第三集团军总部几天后就离开了。孙桐萱代理第三集团军司令。由于第三集团军前敌总指挥兼55军军长曹福林对56军军长谷良民有意见，理由是谷师作战不力，率先失守河防阵地，导致全线崩溃，逼迫孙桐萱撤销了56军番号，谷良民被迫离开军界（后来去重庆经商），所部22师并入12军。
为了分化原韩复榘部队，1938年4月台儿庄大战中，深知蒋介石用人之道的李宗仁将该部分开。55军曹福林（辖29、74师）被调到藤县北袭击敌人后路，以后划归刘汝明指挥；指挥12军（孙桐萱）守曹县，金乡及北黄河沿线；吴化文新四师（原来56军）被调去袭击济南，策应徐州方向国军主力。孙所部12军22师曾一度收复济宁，有利的支援了台儿庄大捷。
1938年5月，台儿庄徐州吃紧，薛岳出任第一战区第一兵团总司令，孙桐萱担任副司令。薛岳进而指挥兰封会战，孙派第20师副师长张测民指挥一部前往支援。同年四、五月间，台儿庄徐州沦陷后，孙部第3集团军（其实只有第12军的三个师）奉命移防到河南许昌。部队经兰封，太康敌后到达许昌。正直黄河决口，孙桐萱指挥第12军与向许昌进攻的敌人作战，日军约千人不及撤退，被孙部消灭了4、5百人。接着奉调南下，扼守武胜关一带，阻敌南进。直到38年6月7日，孙桐萱才被正式任命为第3集团军总司令。