抗日爆發後，孫毅擔任115師343旅參謀長。
平型關戰鬥結束後，聶榮臻對他的工作有新的安排，讓他與陳士榘對調職務，擔任115師随營學校校長。
對于這個職務，孫毅是非常樂意的。
早在紅軍時期，他長期紅軍學校任教，就算是被調往前線，他也總想着回學校任教，可見他對教育工作是十分熱愛的。
沒多久，随營學校改為教導大隊，他擔任大隊長，率領1300多人開辟根據地。
幾個月後，115師分家，聶榮臻率領少部分兵力在五台山成立晉察冀軍區，孫毅到軍區見到聶榮臻和羅榮桓，了解到部隊一分為二，擔負的任務。
115師主力在臨汾地區，羅榮桓要把教導大隊帶走歸建，可晉察冀軍區就面臨缺幹部的局面。
此時，孫毅給聶榮臻建議：我給你們訓練幹部，成立一個學校。聶榮臻覺得這個辦法好，這樣可以解決幹部問題。于是，他與羅榮桓商議，讓孫毅留在晉察冀軍區，不随教導大隊同行。
在孫毅的張羅下，晉察冀軍事政治幹部學校成立，他擔任校長兼政委。在20天時間，招生500餘人開始辦學。
第一期的教育訓練科目有很多，軍事科目有：單兵教練、射擊、投彈、刺殺；基本戰術、遊擊戰術、夜間作戰等。政治教育科目：戰時政治工作、群衆工作、政治經濟學等。
幾個月後，第一期臨近畢業，還有實地檢驗就地配置設定到各軍分區。
之後，學校又招生第二期、第三期，人數越來越多，工作越來越大，把孫毅累得晚上失眠。白求恩大夫寫信給聶榮臻，希望改變孫毅的工作。
1939年3月，聶榮臻調孫毅擔任晉察冀軍區參謀長，協助他作戰，原參謀長唐延傑改為副參謀長。
對于聶榮臻來說，孫毅的貢獻不小，給自己解決一大難題，能力突出。調任參謀長是對他的重用。
孫毅從資曆上講，擔任軍區參謀長也是合适的，他擔任過紅1軍團參謀長。
可孫毅到軍區工作後，他軍深感不安，覺得自己能力不夠，希望聶榮臻另選他人。副參謀長唐延傑原本可以協助他工作，可人家擔任教導團團長，經常執行作戰任務。
6個月後，晉察冀調聶鶴亭擔任參謀長，讓孫毅到冀中軍區任參謀長。
或許是思想壓力沒有那麼大了，孫毅從晉察冀軍區參謀長降為冀中軍區參謀長，反而幹得遊刃有餘。
就這樣，孫毅一直在聶榮臻麾下工作，直到新中國成立。