1932年春至7月，孙超群任江西军区独立第五师第二团政委。7月至10月，孙超群任红二十二军独立第四师师长、师党务委员会委员。10月至1933年春，孙超群任红一方面军红二十二军第六十四师师长、党委委员。同年秋，六十四师师长孙超群率部参加红一方面军向闽西北地区的作战行动。 一天，红二十二军攻占了泰宁城， 敌人逃向邵武，部队乘胜追击，跑了140里追至邵武。孙超群发现城内设防不严，就带领部队率先冲杀进去，将敌打散，部队一天之内就占领了两座县城。朱德总司令打电报表示祝贺，称他们是 “两脚骑兵”。

1933年春，孙超群任瑞金中央军事政治学校军事团第三营营长，团长张经武，团政委何长工。同年夏，孙超群任红一方面军瑞金教导团团长，不久，教导团与工人师合编为中央警卫师。8月至1934年2月，孙超群任红一方面军中央警卫师代理师长。

1934年2月至11月，孙超群任红八军团第二十三师师长，率部参加了中央革命根据地历次反“围剿”斗争和中央红军长征。红军过草地时因粮食缺乏，不得不找青稞、野菜充饥。孙超群亲尝百草，寻找草根，不幸中毒，入医院治疗，病情稍有好转又随医务人员寻找食物。

1935年9月，红一、四方面军会师后，孙超群调任红四方面军总部通讯营营长。12月，孙超群调回红三军团司令部任作战科参谋。同年冬，孙超群任红四方面军党校教员、教务主任。

1936年7月，红四方面军党校改为中共中央西北局党校，孙超群仍任教务主任。同年冬，孙超群到达陕北保安县。

1937年年初，孙超群入红军大学第二期学习。同年夏，孙超群任陕北红军独立第二师副师长。

1937年8月，孙超群任八路军第一二〇师工兵营副营长。12月，工兵营改编为警备第六团，东渡黄河，奔赴晋北对日作战，孙超群任副团长。为了抗日爱国统一战线的需要和抗战军队统一等级制度的需要，团长王兆相被授予上校军衔，副团长孙超群被授予中校军衔，每月发4元津贴。

1938年初至12月，孙超群任八路军第一二〇师警备第六团团长（政委张达志）。整编后的警六团在孙超群等领导下，按照师长贺龙同志指示，迅速开赴偏关，继而东进出击，取右玉、袭左云、北进绥南，参与了开辟绥南和雁北抗日根据地，进出长城内外，三上大青山，五返晋中吕梁，抑制了日军西进的通道平绥铁路，多次重创了日军。

1939年11月至1942年10月，孙超群任八路军第一二〇师暨晋西北军区决死第四纵队（山西新军一部）副司令员。山西新军名义上是阎锡山的军队，实际上是中国共产党领导的一支抗日武装，主要活动于山西中部和兴县雁北地区。在百团大战中，孙超群率部队与公路和铁路两侧的游击队、武工队配合，挖公路、设障碍、扒铁轨，很快使这两条线路运输中断。他沉着指挥，顽强作战，袭击了文水县城和开栅镇等敌人据点，击毙日伪军200多人，同时配合工卫旅完成了武装护粮任务，其中一次护粮120余马车。1939年12月10日左右，孙超群在党的领导下，参与指挥了及时扣压逮捕了企图随时进攻四纵的反动顽固军官，以应对顽固军的忽然进攻。1939年12月12日夜全军行动，孙超群与政委雷任民等奉命率三十五团、十九团分别逮捕交城逯家岩独七旅和交城古交镇关头二〇三旅两个旅部的国民党顽固军官。二十团、三十四团在十九团、三十五团的协助下逮捕了本团内部的顽固军官，一举又逮捕了二十团、二十四团和两个旅部以及随营学校的顽固军官，取得了决死四纵队反顽斗争的完全胜利。这一事件被蒋介石、阎锡山称为十二月事变。

1941年，孙超群任第四纵队军政委员会成员。

1942年，孙超群任八路军第一二〇师暨晋绥军区独立第一旅旅长兼第四军分区代司令员。10月，晋绥军区命令取消决死四纵队番号，改编为晋绥军区第六军分区部队。10月至1944年1月，孙超群任晋绥军区第六军分区副司令员。

1944年1月至1948年8月，孙超群任晋绥军区第六军分区司令员。他带领部队在宁武、静乐、忻县一带，开展反“蚕食”斗争。他广泛地组织了民兵济南队和武工队，创造性地运用地道战、地雷战和麻雀战。他坚决执行了党中央和毛主席把敌人“挤出去”的指示，发动群众，组织民兵，带领部队围攻敌据点，消灭敌人，取得了反“蚕食”斗争的胜利。

1945年4月至6月，孙超群当选为中国共产党第七次全国代表大会代表，作为晋绥代表团成员出席中共七大。8月至1946年5月，孙超群任晋绥军区第六军分区司令员。9月至1946年11月，孙超群任中共雁门区委委员。

1946年5月至11月，孙超群任雁门军区副司令员（司令员吕正操）。11月至1948年6月，孙超群再次兼任晋绥军区第六军分区司令员兼党委副书记（政委兼党委书记梁仁芥），下辖第十九、二十、三十五团和独立营以及游击队和地方部队共约一万两千人。6月，解放战争爆发后，六分区配合主力作战，参加了著名的晋北战役。7月30日，孙超群率领晋绥六分区部队在小豆罗战斗中消灭敌三十九师大部，配合主力部队攻克了忻州。11月，中央军委决定撤销雁门军区，其所辖第二、六军分区归晋绥军区直接领导。

1948年6月，孙超群率部参加了华北野战军第一兵团徐向前司令员指挥的晋中战役，我军参加第八纵队、第十三纵队，太岳、吕梁、晋绥、晋中等部队共约八万人，历时一月，共歼灭阎锡山晋军正规军七万余人，非正规军三万余人，俘敌将官十六人，击毙敌师长以上九人，击落敌机三架，缴获各种火炮三千七百余门，步机枪三万余支，解放县城15座，孙超群直接指挥的部队解放县城4座，歼敌八千余人，全军为进一步夺取太原，解放山西全境创造了条件。10月，晋绥六分区部队改编为晋绥军区第七纵队独立十二旅，孙超群任旅长。10月11日，孙超群指挥十二旅强攻太原城外围之的坚固据点牛驼寨。牛驼寨战斗是太原战役中的一次重要战斗。10月16日夜，西北野战军第七纵队在晋中军区一部配合下，向太原国民党第六十八师和第十总队主力固守的太原城东山制高点牛驼寨阵地发起攻击，至18日，孙超群率独十二旅与兄弟部队相继攻占了牛驼寨三个碉堡。国民党第三十军和第十总队实施反击，七纵予国民党军重大杀伤后，于21日主动撤离牛驼寨。26日，独十二旅在孙超群指挥下，在兄弟部队配合下再次向牛驼寨发起进攻，至31日攻占敌军第七、十号碉堡及炮兵阵地。11月1日，国民党集中兵力，向十号碉堡反扑。孙超群指挥独十二旅兼守阵地，连续打退国民党军十三次冲击，掩护七纵各部乘胜攻占了一、二、三、四、八、九号碉堡。此战，孙超群头部和肩部等三处负伤不下火线。11月9日，独十二旅在炮火掩护下又攻占了最后五、六号碉堡。13日，七纵全歼牛驼寨守敌，占领太原外围军事要地。太原战役胜利后，孙超群调任西北野战军第四纵队副司令员，奔赴西北战场。

1949年2月至9月，孙超群任第一野战军中国人民解放军第4军副军长（军长王世泰）。2月，孙超群率部参加了扶郿战役。7月12日拂晓，被包围的国民党第三十八、六十五军，全力向西突围，第四军在副军长孙超群的前沿指挥下顽强阻击，连续打退国民党军10余次轮番攻击。至12日中午，国民党军三个军被压缩在午井镇以西，罗局镇以东，高王寺以南的渭河滩上。是日15时，一野对国民党军发起总攻，激战至20时，全歼国民党军4个军4.4万人。孙超群率第四军主力在前线阻击有功，打的顽强，受到彭德怀司令员的高度赞扬。

1949年10月至1950年11月，孙超群任中国人民解放军第7军副军长、党委常委。部队在周士第司令员的率领下，从秦岭向西南猛扑，紧盯着胡宗南部队穷追猛打，连续解放了汉中、广元、剑阁、绵阳等40多座县城。12月至1950年5月，孙超群任中国人民解放军西北独立第三军副军长（起义部队）。

1950年6月至1951年1月，孙超群任甘肃军区天水军分区司令员、党委副书记。11月至1952年夏，孙超群任中国人民解放军第一步兵学校副校长、党委常委。12月，孙超群进中国人民解放军军事学院速成系学习。

1952年7月，孙超群担任防空高射炮兵学校校长。

1954年3月至1957年5月，经徐向前、粟裕、王树声共同推荐，孙超群任华北军区防空军司令员、党委第二书记。防空军是解放军新建的兵种，基础薄弱，任务艰巨，孙超群亲自到华北各地，进行实地勘察，研究制定华北地区，特别是北京、天津市和国防工程基地的防空措施，付出了大量心血，取得重大成绩，受到毛主席和党中央的好评，使各项工作有条不紊地迅速展开，使华北防空军逐步发展壮大。

1955年9月，孙超群被中央军委授予少将军衔，荣获一级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章。

1958年至1960年7月，孙超群入高等军事学院基本系一班学习。

1960年8月至1967年6月，孙超群任中国人民解放军工程兵副司令员。12月至1963年5月，孙超群任工程兵党委常委。

1961年2月至1963年1月，孙超群兼任工程兵学院院长。12月至1964年7月，孙超群任工程兵学院党委书记。

1967年5月25日，孙超群因积劳成疾于解放军总医院病逝，享年61岁。孙超群逝世后被批准为烈士。

长征之初，中央红军共有12位师长：红1师师长李聚奎、红2师师长陈光、红3师师长罗炳辉（兼）、红4师师长洪超、红5师师长李天佑、红6师师长曹德清，红13师师长陈伯钧、红15师师长彭绍辉、红21师师长周昆（兼）、红22师师长周子昆、红23师师长孙超群、红34师师长陈树湘。洪超、曹德清、陈树湘牺牲在长征路上；抗战中，周子昆牺牲在皖南事变中，周昆携款潜逃下落不明；罗炳辉病逝于解放战争初期；陈光建国后自尽。最后站到授衔仪式上的只有5位：李聚奎、彭绍辉、李天佑、陈伯钧和孙超群，其他四位都是上将，只有孙超群是少将，但是孙超群同时荣获了三枚一级勋章。

1955年被授予少将军衔，荣获一级八一勋章、一级独立自由勋章、一级解放勋章。

1954年春，孙超群被批准休假十日，回阜南探亲。他与夫人杜克卿和警卫员小陶一行三人穿便装，由县城徒步回到白果孙庄村，县委书记何焕文听说将军返乡，与乡民一样，吃红叶子汤，及时批给救济粮小麦一百斤，并亲自带县政府一班人送去和看望将军一家。孙超群说啥都没有要，还是自己花钱到街上买了粗粮，帮助家庭度过春荒。孙超群教育亲属遵纪守法，一生都没有利用将军身份为家庭谋过任何利益。