孙传庭败回陕西后，决心死守潼关，以扼京城之上游要地。当时明军因在郏县之战中损失惨重，补充了许多新兵。根据这种情况，孙传庭制定了不宜速战，开垦屯田，修缮兵器，储存粮食的战略方针。为对付李自成强大的骑兵，增强明军的火力和防护能力，孙传庭特地赶制了三万辆载有火炮的“火车”，这种“火车”行进时可抵御骑兵的冲击，驻扎时则可环阵拱卫。崇祯十六年（1643年）五月，明廷授孙传庭为兵部尚书，并加督河南、四川、山西、湖广、贵州及江南、江北七省军务，令其迅速兵出潼关。此时，李自成已相继歼灭了明军数支主力，久经战阵，兵强马壮。孙传庭深知与如此强大的对手交战必是凶多吉少，不由得顿足叹息：“奈何乎！吾固知往而不返也，然大丈夫岂能再度对狱吏乎！”表示了宁死疆场的决心。八月十日，孙传庭师出潼关，最初在汝州、灵宝、唐县（今河南泌阳）、郏县连胜起义军，但襄城一战遭到惨败，他逃回陕西。
起义军缴获了孙传庭的帅旗，士气大振，一鼓作气，乘胜攻破潼关。孙传庭与监军副使乔迁高策马大呼，战死阵中。
影视剧中孙传庭
孙传庭自万历四十七年（1619年）中进士至崇侦十六年（1643年）兵败身亡的25年间，他由永城知县，逐步升至兵部尚书，统领七省军务，先后参与并主持了数十次对明末农民起义军的镇压活动，深得明廷赏识。不论是在“四正六隅”的联合围剿中，还是在“汛守要隘”的单独行动中，他都以其独有的狡黠、多谋、果断，使农民起义军多次处境艰险，成为明廷手中一张不可多得的王牌。故此，《明史》有“传庭死而明亡矣”的说法。