1935年8月毛尔盖会议后，被调到红九军任军长，坚决贯彻党中央北上抗日的战略方针，历经千难万险，参加了三大主力红军的胜利会师。

1936年10月，红军三大主力在甘肃会宁胜利会师后，红四方面军总部率5军、9军、30军强渡黄河，组成了西路军，向甘肃河西挺进。

1936年11月1日，红九军占领一条山以南的锁罕堡、打拉牌，将敌人骑兵第五师的600余人紧紧包围起来，敌人惶恐万状，生怕被歼，在红九军争取下被迫接受了中共的联合抗日的主张，交出部分粮食后撤往凉州（今武威市）。11月11日，敌军又集中5000余人向打拉牌一带红九军的阵地进行反扑。孙玉清指挥九军的二十七师与敌人激战一日，毙伤俘敌官兵达500余人，缴获大炮三门，机关枪十挺，将敌击退。11月15日当红九军进至古浪城时，遭敌军三个骑兵旅、两个步兵旅和四个民团，以及飞机大炮的猛烈攻击。孙玉清临危不惧，沉着指挥部队与敌人展开激烈厮杀，几经肉搏，毙伤敌军2000余人。红九军虽浴血奋战，予敌以严重杀伤，但自身亦损失惨重。11月18日，敌倾全力来攻，激战中，孙玉清不幸负伤，仍忍痛指挥。苦战至晚，红九军伤亡过重，于是日夜向永昌突围。红九军突出敌重围至永昌后，西路军军政委员会主席陈昌浩不分青红皂白，将古浪失利的责任全部推到红九军领导身上，并亲自主持召开红九军营以上干部会议，下令撤销孙玉清军长、陈海松政委的职务。孙玉清被撤职后，到总部直属队工作。

1937年1月，红5军军长董振堂在高台牺牲，孙玉清临危受命，调任5军军长，但这时形势逆转，西路军虽浴血奋战，但仍濒临绝境，3月初，西路军在倪家营子一战失利后，分路突围。孙玉清和王树声、李聚奎等领导，率领右支队1000余人，沿祁连山向西北游击。在分散游击中孙玉清不幸被俘。因叛徒告发，敌人弄清了孙玉清的身份。

1937年5月下旬，被残忍杀害，年仅28岁。

孙玉清被敌人押到西宁后，在社会上引起了很大震动。西北反动军阀头目马步芳为抓住红9军军长而十分得意，召集大批军政要员，亲自审讯孙玉清。孙玉清大义凛然，义正词严，当场揭露和斥责反动军阀当局拉夫抓丁，耗国家资财，养兵祸国，不抗日，却专打红军的罪恶行径。

孙玉清说：“我从参加革命时起，就把生死置之度外，现在我死而无憾，并引以为荣！”马步芳不甘心失败，使出了一系列软硬兼施的伎俩。他让孙玉清见被俘后被迫服苦役的妻子和其他红军战士。孙玉清告诉妻子：“不要害怕！”他鼓励战士们说：“西路军虽然失败了，红军仍然存在，陕北的红军壮大了，党中央在陕北建立了根据地，红军是杀不完的！”

孙玉清宁死不屈、忠诚于党和人民的硬骨头精神，使敌人恼羞成怒。

1931年，由于指挥果断，受到中国工农红军第四方面军总部嘉奖。

1933年8月1日召开的川陕省第二次工农兵代表大会上，被授予“以一胜百”奖旗一面。

1934年11月1日召开的红四方面军全军政治工作会议上，孙玉清指挥的红二七四团被授予“夜袭常胜军”的光荣称号。孙玉清由于指挥作战有方受总部嘉奖。

胞弟：孙世清

孙玉清在战场上是一员战将，但在生活上却是一位感情十分丰富的人，他平易近人，经常和干部战士有说有笑，为人和蔼可亲。他严格要求自己，反对干部特殊化，用自己的无声命令，使有声命令更加有力量。孙玉清虽然只度过了28个春秋，但他留给人们的却是追思与怀念。孙玉清为了中国革命和民族的解放事业，在敌人屠刀面前大义凛然，坚贞不屈，视死如归，用满腔热血谱写的光辉篇章，将永远载入史册。（中国军网 评）

1980年5月，徐向前元帅对他给予极高的评价，他说：“孙玉清同志作战很勇敢，有‘战将’之称，他就义在青海，应该纪念他”。

1983年5月13日，李先念主席在一封信中说：“我和孙玉清、熊厚发同志是很熟悉的，也非常怀念他们。他们是我们党的好党员，是人民的忠诚战士，是我军的优秀指挥员”。

孙玉清烈士殉难处遗址位于青海省西宁市城东区东关大街155号。

1988年8月，西宁市政府在孙玉清烈士英勇献身的地方（今西宁市新华布鞋厂）建立了汉白玉雕像，在中国工农红军西路军纪念馆内，为孙玉清烈士雕塑了大理石像，以寄托青海省各族人民对他的哀思。