1943年4月23日，国民党军长孙殿英率部投敌后，日军发现不见庞炳勋，斥责孙殿英，让他必须把庞炳勋抓来。孙殿英派人去卖鸦片的店铺门口埋伏，抓住了庞炳勋的副官。 国民党军在太行山区的主力为二十四集团军，庞炳勋任总司令，辖马法五的四十军、孙殿英的新五军、刘进的二十七军。 庞炳勋名义上指挥三个军，近十万之众，但实际上，除了四十军是他的基本部队外，另外两个军他根本指挥不动。新五军是孙殿英一手组建的部队，平日根本不把二十四集团军总部的指令放在眼里；刘进是黄埔一期生，胡宗南系统的骨干，他这个军是战前临时划归庞炳勋指挥的，此前因军粮问题，刘进和庞炳勋闹得很不愉快。 三个军，各成体系，那么一旦面临日军的进攻，其结果可想而知。1943年4月，日军调集二个师团及配属部队共五万余人，兵分三路，向太行山国军的防区进攻。 庞炳勋一面指挥四十军抵抗，一面让新五军、二十七军迎敌，但效果并不大，各部自行作战，阵地接连丢失。4月23日，孙殿英派代表和日军联系后，带着新五军全员投敌。 孙殿英的投敌，让防线彻底崩溃，四十军被打乱，二十七军陷入包围，庞炳勋带着总部直属部队撤入山内。 新五军的阵前投敌，并不是孙殿英的临时起意，他早在几个月前就派人和日军秘密联系。孙殿英向日军夸口，说只要战事一起，会拉着庞炳勋和他一起投降。 孙殿英投敌后，日酋见他并未带来庞炳勋，大为不满，出言斥责，孙殿英连连保证说他一定会在一个月之内，将庞炳勋带来。 一开始，孙殿英担心庞炳勋会被手下护送着过黄河，在审问了几个四十军的俘虏后得知，四十军军长马法五也在到处派人找庞炳勋。 那么，庞炳勋去哪了？原来，一股日军出现在庞炳勋的总部，一番激战后，总部人员四散奔走，庞炳勋在儿子庞庆振及两个副官的护送下，逃到山上。 第二天，见搜山的日军撤离，庞炳勋等人翻过几座山后，躲在一个村子旁的山上的一个山洞，由附近村民给他们送水送吃的。 孙殿英这边，认为庞炳勋已经六十多岁，一只脚还跛了，行动不便，肯定没有走远，就藏在附近。考虑到庞炳勋大烟瘾很大，每日都要抽上几次，孙殿英分析，庞炳勋在慌乱中肯定带的大烟不多，抽完后烟瘾难耐，会派人去就近的镇子买大烟。 于是，孙殿英也不派人搜山，而是让部下在附近几个村镇贩卖大烟的店门口候守。没过几天，庞炳勋的一个副官下山去一个镇子买鸦片，被孙殿英的手下抓住，供出了庞炳勋的藏身之处。 孙殿英大喜，带人将庞炳勋抓住。庞炳勋被抓之初，还大骂孙殿英，说：“你个孙麻子，要杀要剐随你，我可不会投日。” 可惜，庞炳勋只是说说，仅仅几天之后，他就在孙殿英的劝诱和日伪抛出的“高官厚禄”的诱惑之下，落水了。 五年前，庞炳勋率部坚守临沂，和日军死战不退，第五战区长官李宗仁夸赞说：“日军穷数日的反复冲杀，伤亡枕藉，竟不能越雷池一步。日军精锐竟受挫于一不见经传的杂牌部队，一时彩声四起。” 可惜的是，这时的庞炳勋，却当了汉奸，落了一个晚节不保的结局。“中将加上将衔”的庞炳勋，是抗战中投敌将领级别最高的之一。 在孙殿英、庞炳勋相继投敌后，第一战区司令长官蒋鼎文还试图在太行山区保留一些据点，他以长官部的名义，让马法五、刘进率残部继续坚守。 孙殿英的部队在太行山长期驻守，熟悉地形，在摇身一变成为伪军后，孙部官兵配合日军，对太行山区的国军进行第二期扫荡。 四十军的预八师被日军包围后，师长陈孝强率部突围失败，和几百部下被俘，孙殿英一番劝说后，陈孝强投敌。 日军又让孙殿英劝诱刘进，孙殿英和刘进约在一处半山坡上面谈。孙殿英说：“兄弟这次投降，是权宜之计，和关公当年降汉不降曹属于一样的，你和兄弟一起下山，不耽误你以后再去投奔蒋委员长。” 刘进气笑了说：“你把关公牵扯进来干什么，这是一回事吗。” 刘进坚持日军撤围后，再说投降的事，两人不欢而散。日军见劝降失败，向刘进部发起猛攻，刘进虽突围而出，但部队损失大半。 胡宗南派二十七军去太行山区，本是想扩大势力，不想却丢掉了部队，一怒之下将逃回的刘进撤职。 二十七军被击溃后，孙殿英和他的伪军又配合日军围攻四十军，四十军无法立足，由马法五带着三千多残部渡过黄河，余部全部损失，被俘官兵被编入庞炳勋、孙殿英分任总司令、副总司令的伪二十四集团军。 战后，重庆军委会撤销了二十四集团军的番号。1944年2月，恢复二十四集团军番号，王耀武任司令官，辖彭位仁的七十三军、施中诚的七十四军、李天霞的一○○军，一年后雪峰山会战打响时，赶到战场的胡琏的十八军，空运过来的廖耀湘的新六军也都临时划入该集团军。 有误传，说王耀武接替了庞炳勋的二十四集团军总司令职务，其实只是番号相同，后者是老蒋的嫡系主力。 之后，庞炳勋、孙殿英指挥数万伪军又配合日军，进攻八路军在太行山的根据地。八路军奋起迎敌，付出巨大伤亡后，取得了反扫荡的胜利。对比十万国军的迅速溃败，差距实在是明显。
