后因增祺的关系，孙烈臣进入军中，开始他的军旅生涯。之后又受到张作霖的赏识，在军中逐渐升职，因其出色的军功而被授予陆军上将军衔。在辛亥革命后期，更是军功显赫。作为张作霖的得力干将，孙烈臣在东三省的整治上面更是作出了巨大贡献。他在东三省建立了第一座兵工厂，创立了军校来培养军事人才，全面整训了军队，大大增强了奉系的军事力量。

孙烈臣深受张作霖的器重，在重病期间仍不让孙烈臣辞职，只准其回乡静养。最终孙烈臣在家乡病逝，一生无子女。