为了加强河防，第三集团军还定期轮流派出一个团的兵力到河东的蔚氏、杞县、太康等地积极开展游击战，既打击了敌人，又让部队在实战中得到了锻炼。在1939年孙桐萱兼任豫皖边区游击总指挥时，81师师长贺粹之率部在太康、睢县、民权一带打游击战，每战胜利，屡受嘉奖，获得年总评全国正规军的游击战第一名。
两次奇袭开封
在郑州把守河防期间，孙桐萱率第三集团军曾两次奇袭开封，每次都攻入城内，打击了日本侵略者。
据孙桐萱秘书宋一萍回忆：第一次奇袭发生在1939年的秋天，第三集团军临时组成突击队趁夜攻入开封城内，占据鼓柚。在歼灭敌人有生力量后，第三集团军的将士趁敌人混乱之际，悄然撤退回到黄河西岸。
第二次奇袭开封发生在1940年4月，孙桐萱命第三集团军组成以周遵时为作战指挥部指挥官，率约1.2万人渡河直捣开封，给敌人以很大打击。
消息传出后，引发全国轰动，外国通讯社称此举为对日军已占重要城市的一次有效攻击。
郑州血战
1941年9月，日军进行第二次长沙会战，为牵制中国军队的豫中力量，日军调集36师团、35师团及由平汉路北段抽调110师团配备骑兵、化学兵、飞机百余架、坦克70辆及大批重炮在中牟、京水等处集中。10月2日凌晨3时，日军机械化部队约5万人在炮火的掩护下欲强渡黄河，孙桐萱命第三集团军河防部队死守。两军激战，20分钟内一个连的守卫部队全连阵亡。孙桐萱命集中火力攻击渡河日军，双方战斗胶着陷入白热化。当得知在日军化学武器的攻击下部队后退时，孙桐萱将总部预备部队和直属部队调上火线。
天亮后，日军大批飞机对郑州市区连番轰炸，不停扫射第三集团军阵地。3日拂晓，日军在猛烈炮火和飞机的掩护下全力进攻，迫使第三集团军不断转移阵地，第81师在贾鲁河新堤一带的战斗尤为激烈。所部一营长肠子被弹片带出，仍然带伤与连长夺回敌机枪一挺，毙敌二三人，最后在战场上殉国。孙桐萱亲临前线督战，决定暂时放弃郑州城，引敌人进入嵩山山麓，以游击战和运动战的方式以逸待劳诱敌深入。此后20多天，第三集团军在坚守阵地杀伤日军有生力量同时，不断派部队袭击郑州日军部队。31日黄昏，当面敌火力渐弱，似有退却模样。10月31日至11月1日夜间，第三集团军全线发动反击，日军溃退，第20师60团当夜收复郑州。
