庚子年間（1900年），沙俄強佔遼寧，盛京將軍增祺被迫出走，孫烈臣一路護送。增祺調任徐州後，提拔孫烈臣爲中營幫帶、綏靖營哨官。土匪張作霖被官府收編後，成了孫烈臣的上司，兩人年輕人就這樣相識了。

清朝滅亡後，張作霖、張作相、孫烈臣等兄弟幾人就一直經營東北。張作霖稱霸東北，做了東北王。而孫烈臣也做到了東北軍副司令長官、、陸軍參謀總長、吉林省督軍、黑龍江省督軍。孫烈臣在講武堂、空軍和瀋陽兵工廠都傾注了他的心血。

張作霖在結拜兄弟中排行老七，而孫烈臣排行老六。作爲哥哥的孫烈臣雖然離東北王只有一步之遙，但是他忠心耿耿，毫無篡權之心，成爲了張作霖的心腹干將。

1924年4月25日，孫烈臣因病逝世，終年52歲。張作霖抱住烈臣的屍體失聲痛哭，長達半個小時之久。張學良爲孫烈臣披麻戴孝，以示對其的敬重。