抗日爆发后，孙毅担任115师343旅参谋长。
平型关战斗结束后，聂荣臻对他的工作有新的安排，让他与陈士榘对调职务，担任115师随营学校校长。
对于这个职务，孙毅是非常乐意的。
早在红军时期，他长期红军学校任教，就算是被调往前线，他也总想着回学校任教，可见他对教育工作是十分热爱的。
没多久，随营学校改为教导大队，他担任大队长，率领1300多人开辟根据地。
几个月后，115师分家，聂荣臻率领少部分兵力在五台山成立晋察冀军区，孙毅到军区见到聂荣臻和罗荣桓，了解到部队一分为二，担负的任务。
115师主力在临汾地区，罗荣桓要把教导大队带走归建，可晋察冀军区就面临缺干部的局面。
此时，孙毅给聂荣臻建议：我给你们训练干部，成立一个学校。聂荣臻觉得这个办法好，这样可以解决干部问题。于是，他与罗荣桓商议，让孙毅留在晋察冀军区，不随教导大队同行。
在孙毅的张罗下，晋察冀军事政治干部学校成立，他担任校长兼政委。在20天时间，招生500余人开始办学。
第一期的培训科目有很多，军事科目有：单兵教练、射击、投弹、刺杀；基本战术、游击战术、夜间作战等。政治教育科目：战时政治工作、群众工作、政治经济学等。
几个月后，第一期临近毕业，还有实地检验就地分配到各军分区。
之后，学校又招生第二期、第三期，人数越来越多，工作越来越大，把孙毅累得晚上失眠。白求恩大夫写信给聂荣臻，希望改变孙毅的工作。
1939年3月，聂荣臻调孙毅担任晋察冀军区参谋长，协助他作战，原参谋长唐延杰改为副参谋长。
对于聂荣臻来说，孙毅的贡献不小，给自己解决一大难题，能力突出。调任参谋长是对他的重用。
孙毅从资历上讲，担任军区参谋长也是合适的，他担任过红1军团参谋长。
可孙毅到军区工作后，他军深感不安，觉得自己能力不够，希望聂荣臻另选他人。副参谋长唐延杰原本可以协助他工作，可人家担任教导团团长，经常执行作战任务。
6个月后，晋察冀调聂鹤亭担任参谋长，让孙毅到冀中军区任参谋长。
或许是思想压力没有那么大了，孙毅从晋察冀军区参谋长降为冀中军区参谋长，反而干得游刃有余。
就这样，孙毅一直在聂荣臻麾下工作，直到新中国成立。