1949年8月陈毅华东野战军部叶飞10兵团攻克福州，10月又克厦门，准备攻击金门。金门告急，孙立人接电，即刻派精锐部队前往增援，孙立人的201师投入部分预备队后独立完成了反击，将对方压缩到古宁头。
1948年底，孙立人兼任东南军政长官公署副司令长官和台湾防卫司令。1949年8月，升台湾防卫总司令。制定实施台澎防卫计划，构建全岛防卫工事体系，整训撤台的80万败军。
1949年9月1日，孙立人正式就职台湾防卫司令，第201师10月在金门参加金门战役。11月，蒋中正在国民党中央非常委员会第二分会中提议孙立人再兼东南军政长官公署副长官，国防部亦随之发表新职。1950年3月1日，蒋中正“复行视事”重任总统职，东南军政长官公署随之裁撤，孙接任陆军总司令兼台湾防卫总司令（当时陆军总司令部与台湾防卫总司令部址乃同一驻所）。
1951年5月，孙立人晋升陆军二级上将。
1952年4月，孙立人连任陆军总司令。1953年6月，孙立人在税警总团的老长官黄杰领三万军队，自越南富国岛到台湾。8月黄杰任台北卫戍司令。9月，晋升陆军二级上将。1954年6月24日黄杰任陆军总司令，孙立人任总统府参军长，失去兵权。
兵变案件
主词条：孙立人事件
1950年3月20日，美国中情局一份机密报告称，受过美国教育、现负责台湾防务的孙立人，正计划发动政变，俾使蒋介石成为有名无实的领袖。
4月下旬国军部队撤离海口后，美国驻华武官巴瑞特向国务院
发了一通极机密电报，引述孙立人的话说：蒋介石及其党羽已到了“混乱与绝望”的状态，孙建议采取“剧烈的行动以挽回狂澜”。巴瑞特1950年4月27日会见孙立人时，孙主动提出“蒋介石问题”。腊斯克于5月1日见到此电，两天后的 5月3日，国务院政策计划处官员尼兹在一次秘密会议中正式提出了由孙立人发动兵变以倒蒋的方案。方案说，政变目的乃是“彻底铲除国民党的所有重要官员，由孙立人掌控全部军权”，这些工作必须在四十八小时内完成。政变后的政治真空则由美国调集官员去填补，三天之后，美国派出一批最能干的官员到台湾充任政府的顾问。1950年5月3日腊斯克呈交艾奇逊一份演示文稿，指出美国已在台湾部署秘密行动，以武装支持岛上的领袖，他建议告知蒋介石，嘱其离开台湾。
孙立人兵变案（郭廷亮匪谍案），对“孙案”之调查，最初由副总统陈诚为主任委员，与王宠惠、许世英、张群、何应钦、吴忠信、王云五、黄少谷、俞大维等组成“九人委员会”，负责调查。另外监察院也由中国国民党籍监委陶百川、无党籍监委曹启华、萧一山、王枕华、余俊贤等“五人小组”自行发动调查。陈诚的九人小组审讯郭廷亮等，得到彼等“坦承不讳”之“自首”结果。由于郭系孙立人之联络官，九人调查小组认为孙“未适当防范，有失查之责。”军事法庭遂以匪谍罪判处郭廷亮无期徒刑。
经调查已确定为一项被阴谋设局构陷的冤屈案。这件迫使孙立人去职的案件涉及其部属郭廷亮，郭廷亮此后或关押于绿岛或遭严密监控。1991年，郭廷亮其后假释返台，却发生在桃园中坜火车站离奇死亡（月台上跳车身亡）。
监察院陶百川等“五人小组”之调查结果与“九人小组”差异甚大。监院认为郭廷亮等确系主张军事改革，但绝无兴兵叛乱之情节。所谓遭人检举，乃属国军内部派系构陷，不足为凭。孙立人对此应毫无责任。监院调查结果因与“九人小组”差异过大，调查期间遭到情治跟监，最后仅在院内会议秘密报告后即以极机密封存，不再公开。
1998年孙案涉案人及家属要求监察院公布“五人小组”
报告并还原真相。2001年1月8日，监察院通过决议，称孙案乃“被阴谋设局的假案”。中央研究院近代史研究所朱浤源教授获政府新台币六十万元经费补助，就孙立人兵变案进行专门研究，据朱教授研究调查结果称:“进驻孙公馆翻遍了孙立人将军保存的所有档，和国防部与总统府的所有机密档案档，并未发现孙立人有任何不法行为”。
2014年7月，台湾监察机构承认郭廷亮当年遭刑求被迫写下自白书，“假藉长官名义为匪工作”，其实他不是匪谍；这项调查间接为孙立人平反。
人物逝世
孙立人于1990年11月19日病逝于台中寓所，享寿89岁。时任“行政院”院长郝柏村受政府训令，派陆军总司令部办理治丧事宜。故蒋中正遗孀宋美龄致送花圈，“总统”李登辉颁发褒扬令给予褒扬。
礼由总统府资政郑为元主祭，参谋本部、三军总司令部等陆海空高级军官皆出席。灵柩由清华大学校旗覆旗委员洪同、李干、刘兆玄、张昌华覆盖校旗，维吉尼亚军校校旗覆旗委员温哈熊、温于俭、叶晨晖覆盖校旗，再由台湾政府指派之覆旗官，许历农、罗本立、温哈熊、黄幸强四位上将代表国家覆盖国旗，备极哀荣。遗体安葬台中市北屯区大坑东山墓园。
获得荣誉
1942年，仁安羌之战蒋介石给他颁发的四等云麾勋章。
1943年，仁安羌之战英王乔治六世颁发不列颠帝国勋章（Knight/Dame Commander；缩写是KBE/DBE）。
1943年，缅甸战役中出色的表现美国总统罗斯福颁发的丰功勋章。
1945年，缅北滇西战役被中华民国授予青天白日勋章。
家庭情况
婚姻
龚夕涛（夫人，早逝）
张晶英（夫人，即张清扬）
张梅英（姨太一作美英，未知何者为实。台湾人，护士出身，与张晶英非近缘关系。张晶英因一直未能生育，主动安排孙立人纳其妾。孙立人膝下四子女皆为她所生。）
子女
长女孙中平（1952年—），台湾清华核子工程系毕业、美国麻省理工学院材料力学博士。
长子孙安平（1954年—），台湾中原理工大学物理系、清华物理研究所毕业。
次子孙天平（1956年—），辅仁大学数学系毕业。
次女孙太平（1958年—），新竹清华大学化学系毕业。
历史评价
因为孙立人将军拥有出众的军事才能和骄人的战绩，善于指挥机械化部队，所以他被西方军事学家誉为“东方隆美尔”。（西方军事学家评）
孙将军是国民党集团中最杰出的将领，学历之深，无人可及；练兵之精，无人可及；战功之高，无人可及；身上弹孔之多，无人可及；国际性声誉之隆，也无人可及。他从小感受到外侮，立志要雪耻，清华、普渡两名校毕业之后，投笔从戎。自美国弗吉尼亚军校学成，回国后南征北讨，脱颖而出，但受制于蒋介石的嫡系，一再被黄埔军头排挤。蒋介石落魄到台湾之后，为争取美援，打出孙立人牌，然而当鸟尽弓藏之时，便以冤案软禁孙立人。（李敖评）
孙立人在台湾社会政治、军事局势发挥了中流砥柱的作用，奠定后来稳定发展，建设台湾为自由民主基地良好基础。（陈力俊评）
