大苏河血盟誓师后，为发展壮大救国军，孙铭宸与张显铭等人先后分别到兴京、柳河、通化和桓仁等地，秘密联络各界人士共同抗日，救国军队伍迅速壮大，直接威胁着辽东地区的日伪政权。

１９３２年初，救国军迅速发展到千余人，并对部队进行了整编。孙铭宸四处奔走为救国军筹款购枪，并把枪支弹药秘密运到救国军驻地，进一步装备了抗日武装，使救国军两次取得反击日伪联合“围剿”的重大胜利，成为东北地区最早崛起的一支抗日劲旅。

辽东血盟救国军的迅速发展，使汉奸、卖国贼、伪东边道镇守使于芷山（后为伪“满洲国”上将警备司令）深感震惊，多次派人劝孙氏兄弟与其一起投降日寇，皆遭拒绝后，于１９３２年１月１９日采取卑鄙手段，设下“鸿门宴”将孙铭武等２０名救国军谈判代表杀害于柳河县三源浦。孙铭宸因奔走各地联络义军联合抗日而幸免遇难。孙铭武被害不久，孙铭宸的另一位兄长孙铭久亦壮烈牺牲。这使孙铭宸悲痛欲绝，他率救国军余部５００余人参加了李春润率领的辽宁民众自卫军第六路军，共讨日伪军。李春润素闻其“有胆有识，精明干练，材堪大用”，遂委其为第六旅旅长。从此，孙铭宸在李春润的指挥下，率领所部官兵抗击日寇，杀敌讨逆，雪耻复仇。

１９３２年５月，孙铭宸率其所部第六旅先后七次攻打清原，奇袭清原日本守备队和英额门一带日伪军；攻打斗虎屯车站，袭击敌营盘，焚毁铁路桥梁和站房，割除日伪电话线；收编伪公安队、商团队、山林队和民团，缴获大批枪支弹药，吓得日伪军龟缩城内不敢出击，日夜不得安宁。

以孙铭宸为首的第六旅将士，在兴京、清原和沈海线上各点不断打击日伪军，敌人急调重兵“围剿”，妄图消灭这支抗日劲旅。

１９３２年１０月９日，日军高波兵团向东边道大举进攻，首先扑向李春润部。由于总司令唐聚五率部北撤，李春润部陷入孤军奋战之中。而孙铭宸旅更处孤立无援之境，虽浴血奋战三昼夜，终因寡不敌众，不得不化整为零，采取分散活动。李春润等突出重围于１２月１８日到达北平。孙铭宸亦于１９３３年初密赴北平，向李春润报告战斗经过和队伍现状，表示重整旗鼓、继续抗日的决心。

孙铭宸在北平期间，受到东北民众抗日救国会和东北抗日后援会的热烈欢迎。张学良将军也给予表扬，并拨大批枪支弹药。在孙铭宸的建议下，重新组建了东北义勇军第三军团，李春润为总司令，孙铭宸被任命为第三军团总参议兼第四梯队少将司令官。东北民众抗日救国会召开送别会，孙铭宸作了演讲，激昂陈词，与会者无不肃然起敬。

曾任伪东边道镇守使、省防第一旅旅长的于芷山，媚日投敌，对东边道的抗日军民进行了血腥的镇压。他不仅极力“追剿”救国军，还以重金悬赏捉捕孙铭宸，并把孙氏家门查封，把留在家中的两位年迈老人赶出家门，全部家产悉数没收。孙铭宸在北平得知家中情景，没有低头，仍是昂首陈词：“国破家亡，有产何用，倘东北有光复之一日，讵患其没收耶！”国仇家恨，更加激励着孙铭宸挥戈抗日到底的决心。

１９３３年１月２９日至２月８日，东北义勇军第三军团司令官李春润先后组派４４名义勇军骨干分赴辽东兴京、清原、凤城、宽甸、本溪等地，秘密恢复抗日队伍。孙铭宸受命以前方督导官的名义返回抗日前线。２月８日，他从北平出发，化装成劳工从天津乘船，准备到大连登陆后再去抗日前线。不料，当船航行到大连港附近海面时，孙铭宸及同船的义勇军旅长齐洪治、参谋处长秦洪修，清原县长杨庆贤等２０人被日军水上警察逮捕，并被关进监狱。狱中，孙铭宸经受敌人多次酷刑，始终坚贞不屈，痛骂日军侵华罪行，大义凛然，视死如归，遂遭杀害。

孙铭宸在大连被害的噩耗传到北平后，在北平的义勇军将士无不万分悲痛。李春润痛心异常，万分惋惜，当即书写报告向国民党政府为孙氏兄弟请求抚恤，同时“引咎自劾”请求免职，要“以国民资格杀敌图功，以完成未竟之业，而慰殉难先烈在天之灵”。

全国解放后，为褒扬先烈，慰问忠魂，中央人民政府为毁家纾难、为国捐躯的孙铭宸颁发了烈士证书和光荣纪念证。