孙烈臣督黑期间，注重整顿金融和垦殖荒地。他鉴于黑龙江省钱法极为混乱，由该省钱法维持委员会议决四项解决办法;他还指定由实业厅长、垦务厅长及垦务员会同拟定垦务办法十余项，对省内外领垦者加以保护。孙执法较严，杜绝说请。黑龙江山林警察队长兼山林局副局长李紫英，纵人种植鸦片，克扣警饷，鱼肉乡里，被收押法办。李之胞兄李荫棠系北京政府参议员，黑省议会议长高玉堂系李之同乡，二人为李说请，孙均拒而不见。
1921年3月，孙烈臣调任吉林督军兼省长，旋又兼任东省铁路护路军总司令。王树翰随孙同往吉林，任省财政厅长。12月，孙烈臣为阻止日本在哈尔滨的交易所扰乱金融，下令逮捕该交易所中方股东十一人。日本驻哈尔滨领事无理提出“抗议”，遭到孙的严词拒绝。
1922年4月，第一次直奉战争爆发，孙烈臣任奉军副司令，留守沈阳替张作霖坐镇。这次军阀混战经过一年多时间的战前准备，只打了六天，结果奉军溃败。5月，张作霖、孙烈臣、吴俊陞联名通电，宣布东三省自治。6月，东三省议会联合会推举张作霖为东三省保安总司令，孙烈臣、吴俊陞为副司令，正式宣告“联省自治”。同月，直奉两军停战议和，奉军以孙烈臣、张学良为代表，直军以王承斌、杨春芳为代表，在秦皇岛签订停战协定。直军从秦皇岛向后移动，奉军亦大部撤到山海关以外。
张作霖从直奉战争的失败看到奉军的素质太差，于是积极整军经武，扩充实力，以图再起。同年7月，将原东三省巡阅使署与奉天督军署合并，改组为东三省保安司令部，并设立东三省陆军整理处(后改称训练处)，由孙烈臣兼任统监，姜登选、韩麟春为副统监，张学良为参谋长，郭松龄为副参谋长。孙等协助张作霖将东三省全部军队整编为步兵二十七个旅，骑兵五个旅，使用统一番号。每个师、旅分期分批地到指定地点集中校阅，进行对抗演习和实弹色击。各级军官的选拔标准和各级军官的任用权限均有规定，校阅完毕时，都按规定有所升降，使东北军迅速改变了面貌，素质有很大提高。
同期，孙烈臣仍主持吉林的军政，但大部时间在沈阳，对省事除重要及关系三省者外，多假手僚属，自己很少过问。孙还将督军署移驻长春，省公署设在吉林，以魁升任省长，王树翰任督军署秘书长，又请划中东路界线为特别区，以朱庆澜为中东路护路军总司令并兼特别区行政长官。不久魁升去职，由王树翰代理吉林省长。王事事不敢擅专，凡遇用人、行政之事，均由孙首肯。
孙烈臣治理吉林无什么政绩。吉林匪患猖獗，积重难返，在蛟河至吉林一带，有大小股匪二千余人，往返烧扰。1922年除夕，竟乘省城居民燃放鞭炮之际，入城抢劫绑票。吉林官兵也四处勒索财物，人民苦不堪言。鉴于吉林军政衰微，张作霖令孙回省解决，孙于1923年11月回到长春，连日召集军政当局开会，议定整饬军务、肃清土匪、厉行禁烟、整顿税源等四项计划，但实效不大。同年，孙烈臣因宿疾未愈，经神不佳，向张作霖提出辞呈，保荐张作相任吉林督军、王树翰任吉林省长，张未准所请，但允归故里静养。此后，孙迭次请辞不许。逢新宅落成，他携夫人往视，见雕梁画栋，极为美观，赞美之余，二人竟抱头痛哭，叹曰：“此等住宅吾二老去世，遗留于谁也?”孙烈臣病请日益加重，1924年4月25日死于沈阳。
