马鸿逵在宁夏立足未稳，就在宁夏境内爆发了4个多月的孙殿英和马鸿逵、马步芳、马鸿宾、马步青的一场大战，人称“孙马大战”。
孙殿英，名魁元，河南永城人。年轻时赌博贩毒，以封建会道门起家，投靠军阀张宗昌，曾任直鲁联军第十四军军长。早年依附冯玉祥，北伐后投靠蒋介石，曾因“东陵盗墓”而恶名远扬。中原大战后，投于张学良门下。“九一八”事变后升任第四十一军军长，其所部驻防张家口以东的沙城。1933年春率部在赤峰、独石口一带抗击日寇。1933年5月，冯玉祥、方振武、吉鸿昌等联络察哈尔（在今河北、山西、内蒙古交界一带）等地的要求抗日的部队，在张家口成立了察哈尔民众抗日同盟军。冯玉祥曾派人与孙殿英联系，争取他参加抗日同盟军。蒋介石闻讯，也多次派人对其拉拢，许以察哈尔省主席之职。但孙殿英认为在察哈尔省处境困难，既不愿意参加抗日同盟军，也不肯就任省主席，只想保存实力，以别图发展。这年夏天，蒋介石为防止孙冯联盟，特任孙殿英为“青海西区屯垦督办”，令其率所部四十一军开赴青海。蒋之用意，除了防止孙冯联盟外，就是挑起马鸿逵、马步芳与孙殿英之间的矛盾，让孙马互斗，自己坐收渔翁之利。孙殿英也想凭借自己的实力称雄西北，于是欣然受命。
孙殿英的任命发表后，立即遭到宁夏、青海的马鸿逵、马步芳等的强烈反对，他们一面连续发出通电，要求国民政府收回成命，一面积极备战，以武力拒孙。尽管马鸿逵、马步芳、马鸿宾、马步青等之间矛盾重重，但在孙殿英进军西北的形势下，他们为了自己的共同利益，一致联合起来对付孙殿英。当时，何应钦认为，孙殿英与马鸿逵早年结为义兄弟，都是冯玉祥的旧部，宁青两马之间又有姻亲关系，况且四马一孙，均非中央嫡系，异地分赃，原无冲突，倘孙不触犯四马的地盘，则四马有与孙勾结的可能。如果此势形成，再收拾就很难了。后经甘肃省主席朱绍良的建议，蒋介石密电马鸿逵等中途予以截击。
1933年7月，孙殿英在绥西（今属内蒙古）收编了骑匪杨耀峰部，遂进驻包头。9月，孙部由包头出发，溯黄河而上，向宁夏逼近，10月下旬，到达临河、乐平一带。蒋介石在孙殿英开拔之后，又使缓兵之计，借口以顾全甘宁青“民意”为重，电令孙殿英“暂驻原地，再待后命”。同时又令朱绍良在兰州召开军事会议，责令马鸿宾、马步芳出兵宁夏，配合马鸿逵的十五路军，堵截孙殿英。马步芳从甘州调所属第三旅和马步銮的骑兵团，于11月初开赴宁夏。时任骑兵新编第二师师长的马步青，知大战难免，担心危及河西，也由永登（今属甘肃）派出该师第一旅马禄部兼程驰赴宁夏，归马步芳直接指挥。马鸿宾的三十五师，早已由金积、中卫开赴宁夏省城。其时，西北四马参战部队约为5万余人，孙殿英的全部人马号称8万之众，实际约有6万余人。在朱绍良的统一指挥下，以马鸿逵为左翼军总指挥，以马鸿宾为右翼军前敌总指挥，以邓宝珊为右翼军总指挥，以马步芳为总预备队总指挥，对孙部“予以痛击”。在蒋介石的导演下，一场恶战就此爆发。
孙殿英初到绥西时，本拟对宁夏运用“假途灭虢”的诡计，但因四马严阵以待，所谋不能得逞。孙为了开辟西进道路，遂决定：首先攻占宁夏，然后下甘肃，入青海，进取新疆，统一西北。为实现其攻占宁夏的计划，孙在战略上采取“速战速决”，战术上采取“猛攻硬打”的方针，要求“歼灭敌军主力”，达到“争取全部胜利”的目的。此外，为了激励将领为自己统一西北效力，孙殿英大搞封官许愿，许旅长杨干卿为宁夏警备司令，许师长刘月亭为甘肃省政府主席，许师长丁綍（fú）庭为青海省政府主席，孙自封为西北总司令。
孙殿英为分化四马，油印《告西北同胞书》和《告西北将士书》，派便衣潜入宁夏省城散发。孙在《告西北同胞书》中，对马鸿逵、马步芳集团大加抨击：“彼辈把持地盘，残暴不仁，用人行事，专尚四同：一要同姓，即马，非马不喜；二要同族，即回，非回不亲；三要同河，即河州，非河不用；四要同教，即回教，非教不信。”在《告西北将士书》中，孙骄矜自夸说“：本军不分种族，不重地域，不论亲疏，不问宗教，任贤用能，一本大公。”还说“：吾辈十万雄兵，所向无敌。今观朔方于掌上，取陇阪若探囊，投鞭黄河，指日可渡，饮马青海，为期不远。”其野心之大，用计之深，可谓暴露无遗。
1934年1月10日，孙殿英下达全面进攻宁夏的命令。12日深夜1时，孙部先头部队袭占磴口，马部退至石嘴山。马鸿逵急电令石嘴山防守部队，堵阻孙军前进。石嘴山濒临黄河西岸，贺兰山耸立西北，地势险要。时正值隆冬，大雪封山，坚冰结河。孙军分兵两路，一路直趋石嘴山正面猛攻，另一路从河东夜渡冰桥，向石嘴山进行侧击，迫使马鸿逵的军队放弃险隘，退之黄渠桥。14日，孙部攻击黄渠桥，马部纷纷溃退。当时，绥西河套一带百姓常将宁夏平罗“黄渠桥”误称作“黄金桥”，从而诱起孙部官兵的贪欲。他们占领黄渠桥后，到处抓人询问“黄金桥”下落，当地群众再三解释说此处没有什么“黄金桥”，只有一个镇子叫黄渠桥。孙殿英听后大失所望，便迁怒于当地回民，发出屠杀命令。于是孙部官兵见到留长胡子、戴白帽子者均不放过，黄渠桥地区的回族群众惨遭浩劫。至今，黄渠桥百姓中还流传着这样的民谣：“沙枣花吊坠坠，孙麻子杀回回。”19日，孙部刘月亭师从东、西、北三面包围了平罗城。
平罗，是当时宁夏北部最大的县城，在历史上也是一座军事重镇。平罗东临黄河，西靠贺兰山，是孙军进攻宁夏省城的必经之地。平罗县城虽小但城池坚固，居民中有不少回民。驻守平罗城的是马鸿逵的一个步兵旅和一个炮兵营，由旅长马宝琳指挥。马宝琳素负勇名，他知道孙殿英的军队颇有战斗力，因此对固守城池作了充分的准备。一方面储备了大量军饷和较充足的粮秣、弹药等军用物资；另一方面又利用清真寺的大小阿訇，向回民群众进行战前宣传：“孙殿英到处纵兵掠民，挖盗清朝乾隆、慈禧的陵寝，将大批墓中宝物偷卖给洋人。今率兵西来，不但要攻城掠地，而且要杀回灭教。平罗地当要冲，倘一旦失守，大家必遭其祸害。只有军民合力，才能保护城池，不受屠杀。”平罗城内的广大回汉群众也无法接受一个外来的盗墓贼来统治他们，于是便倾力支援马家军阻击孙殿英的军队。在孙马大战中，平罗城始终未被攻破，对孙军构成很大的威胁。孙殿英攻打平罗多日，毫无进展，最后不得不改变作战计划，决定绕道进攻宁夏省城。1月26日，孙殿英留下1个补充旅佯攻平罗城，由刘月亭率领两个主力师及炮兵旅，利用唐徕渠岸作掩护，从渠道中秘密南下，直扑省城。1月27日拂晓，孙部主力进至宁夏城北满达桥一带，其先头部队已到达城西北的大小礼拜寺和城西的唐徕渠一带，并开始架云梯攻城。孙部还占领了城北郊的海宝塔（北塔）制高点，刘月亭将司令部设在海宝塔。防守城垣的马部特务团发现孙军架梯攻城，立即展开反击。天亮后，马部第三旅旅长马英才部出省城北门，协同保安处长马全良的两个团沿唐徕渠向孙部攻城部队的左翼迂回攻击；马部第一旅旅长卢忠良部由丁义堡向南包抄孙部后路；青海马步芳部的韩起功旅进至满达桥，向孙军右侧攻击，对攻城的孙军主力形成合围之势。双方短兵相接，一直激战到傍晚，孙军主力被完全击溃，退据城西北满达桥一带堡寨内固守。马部保安处长马全良左肋负重伤，副处长韩进禄阵亡，其部下伤亡惨重。自此，双方在宁夏城郊展开了拉锯战。
2月2日，天降大雪，马部乘着纷纷扬扬的大雪向孙军据守的各堡寨发动攻击。双方激战整日，终因孙部占据的各堡寨防守坚固，进攻未能奏效。宁夏城内约有3万居民，所需粮食及煤炭等物，均依赖城外各村堡供给。战事发生后，各村堡为双方军队占据，居民所需用的生活资料均无法购得。2月5日拂晓前，孙部以5个团的兵力分三路暗袭宁夏省城。其中一路有200余人已爬上城头，被一名司号兵发现，立即吹起了紧急军号，惊动了防守部队。守城部队从两头用大刀截杀，相互展开了肉搏战。一时间，血肉横飞，尸横城头，登城孙部士兵寡不敌众，全部被歼。但宁夏城三面受敌，情势仍然十分危急。马鸿宾冒险督战，抵御了一昼夜。孙军爬城受挫，于是调集重炮猛烈轰击，城内民房多被炸毁，死伤百余人。战斗期间，马鸿逵由卫兵搀扶，避入地下室；马步芳早存戒心，拂晓时，一听到紧急号声，立即乘汽车逃亡后方马禄驻防的地区，待到孙军攻势暂缓后，才悄悄返城。由于此次攻城未能得手，孙殿英非常气愤，他将大部分兵力调集在宁夏省城附近，准备发动第二次攻城。2月10日拂晓，孙军再次组织进攻，但也被马部守军击溃。此战之后，整个战局呈胶着状态。孙部自开战以来，大小数十战，并未占得一处重要城镇。双方相持了1个多月，弄得孙殿英进退维谷。他撤掉了刘月亭前敌总指挥的职务，自己亲自指挥大军发动全线进攻。2月22日，孙殿英部在炮火的支援下，向被马部夺去的海宝塔和赵家庄猛烈反攻，炮火严重损坏了具有悠久历史和精美造型的千年古塔。马部卢忠良旅英勇应战，守住了海宝塔。26日，孙部再次发动攻击，又被马部击溃，百余名官兵被俘。至此，孙部已精疲力竭，只好深沟高垒，固守阵地，等待时机。
在双方对垒相持的时候，由于双方所部都有直、鲁、豫人，因而彼此之间，曾有过这样的对话：“老乡！你们有大米、洋面吗？若没有，请不要客气，到我们这里来吃吧！”———这是孙部士兵在引诱“老乡”。“老乡快快缴枪、缴弹吧，大家合作一块来干！”———这是马部士兵在劝降“老乡”。“老乡好好准备吧，今夜我们要总攻击！”对方回答“：好好好！欢迎欢迎！”像这样相呼的话语，不仅在双方军队中流行着，而且在城乡民众之间也传说开了。不过，看不出有“老乡见老乡，两眼泪汪汪”的酸楚感觉，倒是调侃的成分多些。
在整个战争过程中，宁夏广大回汉人民由于无法接受一个外来的、与本地毫无渊源而又盗墓挖陵的军阀头子来统治他们，所以在战争中能够支持四马联合拒孙，他们把支持马家军拒孙看作是保卫家园、保卫自己身家性命的正义之举。据有关回忆文章记载，马部所到之处，“老百姓送油饼、送白面，表现出军民团结的气氛”。宁夏省城被围时“，城下专门设立灶房，为守城部队及时送水、送饭……城里的百姓、各大字号、大商店的老板以及绅士、大户，还不时地将烟、酒、罐头、饼干、点心等食品送上城墙来慰劳部队”。这是马鸿逵等能取得拒击孙殿英胜利的原因之一。
由于四马能够团结一致，共同拒孙，加之马家军的军事素质比孙军好，因此四马联军战绩卓著。2月底，孙军锐气已挫，军无斗志。此时，蒋介石命令何应钦停发四十一军的粮饷给养，何应钦给孙殿英发出“退出磴口，切实编遣”的电报。接着，蒋介石下令撤销青海西区屯垦督办公署，免去孙殿英本兼各职。孙殿英大势已去，所部官兵纷纷哗变。孙部师长丁綍庭、旅长杨干卿等率部投马，使孙军全线动摇。孙殿英自知败局已定，于3月19日晚，在大风怒号、天地无光的黑夜中，下令总退却。马部分路追击，孙部溃不成军，一夜之间，被俘者达6000余人。孙部退至平罗城下，平罗守军马宝琳旅出城截击。3月20日，孙殿英通电下野，其残余人马被布防在石嘴山至三盛公一带的晋军吕汝骥旅缴械收编，孙本人被阎锡山接到太原晋祠“优待”起来（后来在抗日战争中做了可耻的汉奸）。马步芳的部队追到石嘴山捞到大批武器弹药，只给马鸿逵送去一挺高射机枪，马鸿逵大为不满，他说“：宁夏好像赌场，他们赢了钱都拿去，我们的炕被跳塌了，就没人来管。”为此，马鸿逵借口战争结束，对马步芳和马步青的部队一律停发给养。马步芳也气愤地说：“孙殿英捣坏了宁夏的门，跳塌了宁夏的炕，你们几乎立不住脚。我们帮助宁夏打走了孙殿英，还没坐下来休息，就想排挤我们有功之人，连一口饭也不让吃，太没有道理了。”马步芳认为马鸿逵太挖苦青海军了，他怀着极不愉快的心情离开宁夏。
在民族危亡的紧急关头，蒋介石导演的这场军阀混战，一箭双雕，既达到消灭孙殿英杂牌军的目的，又削弱了西北二马的实力。而宁夏作为战区，饱尝了一场不义战争的灾难，庐舍田园半为废墟，人民群众受尽蹂躏，农业生产遭到极大损失。根据当时有关记载得知“：夏、朔、平、磴四县，受灾七万五千余户，灾民四十五万八千余人，炮火打伤的及冻饿而死者五千三百八十四人。此外，牲畜、农具、米粮、财物、房屋等项的损失，总计达两千多万元；无籽种、耕畜，耽误农业生产的土地，计有九十七万余亩。”
