散后不久，即被搜山的马家军俘获。他被押送到酒泉的马家军298旅驻地，旅长马步康问：“你当什么官？”孙答：“没有当官。”于是马步康就把他与一群被俘的红军战士关在一起。但不幸的是，孙玉清不久被敌人查出了身份。马步康听说红军的军长落到他手里，大喜过望。遵照马步芳的指示，将孙玉清押往西宁。
5月中旬，孙玉清被押解到西宁。马步芳在省政府会见了他。据当年在场的国民党《青海日报》社记者陈秉渊回忆，马步芳设宴企图诱降孙玉清。他问孙：“你是孙军长？年纪轻，有多大？”
孙答：“二十八岁。”
马问：“你为什么参加红军？哪时当军长？”
孙答：“我是十九岁那年在湖南参加，自小劳动，家很穷。参加红军后在湖南、云南一带作战，逐级提升上来的。”
问：“你怎么为我们俘虏过来了？”
答：“弹尽援绝，身陷绝境。”
问：“有了子弹，你还要干？”
答：“是的，红军上战场离不开枪，干是红军的军纪。”
这时，在座的师长马忠义插话：“倪家营子我们损失惨重，三流沟、梨园堡的战斗，伤亡都很大。就是活捉他时，也伤亡了两个多排。”
孙玉清悲愤地说：“我军强渡黄河，进行西征，不幸就走上了一条绝路。粮弹都缺，补给中断，没有后方，地理又生疏。战略上错误，战术上就起不到大的作用。被俘是很不幸，愧对已牺牲的战友们。”
马步芳问：“你是军长，我也是军长。今天你被俘，还有什么话可说？”
孙答：“我干的是正义的革命事业，既被俘，有话说不尽，自有后继人。”他拒绝与马步芳等同桌共饮，马步芳只好叫人把他带走。向蒋介石请示处理办法。蒋介石回电是：“按危害民国罪，处以极刑。”不久，孙玉清就被秘密杀害了。
西路军20000多将士，被马家军俘虏的约有6000人。他们有在历次战斗中负伤后掉队和被就地安置的，有在祁连山中分散活动时被搜山的敌人捉住的，还有在返回陕北途中在甘州、凉州一带被马家军截获的。一旦被俘，等待他们的是非人的折磨和无尽的苦难。据解放后一份调查材料说：这些被俘的西路军战士押解到西宁后，分别关在西宁周围的军马处、东校场、乐家湾等几个地方。马步芳对这些红军一是屠杀，二是强迫做苦工，三是“感化”，让这些红军为他所用。
马步芳将25岁以下的3000多名红军战士编入自己的部队，称为“补充团”，共四个营。主要任务是从事重体力劳动，为马步芳修桥开路，伐木盖房，开矿开荒从事生产。他们先后开通了民和至西宁的公路，修建了湟水大桥，修筑了张掖机场，在循化、化隆开垦了大片荒田。还有的被分到马步芳的义源工厂，为马家军生产军需用品。还有的被分到煤矿挖煤。
“补充团”军官都由马家军担任，是一帮折磨人的恶魔。他们对红军战士进行强迫劳动和各种摧残。在修公路时，每天劳动长达十几小时，动作稍慢，军官就是一顿毒打。雨天不能施工，还要去搬石头，不准休息。在修张掖至西宁的公路时，要越过海拔3700米的山梁。严寒的气候冻伤了许多红军，但军官不肯为他们治病和改善一点生活条件，而是毫无人性地砍掉红军冻伤的脚指头。这些红军在青海做苦工受的折磨，是常人难以想象的，不知有多少人在苦难中含恨死去。就连马步芳自己也不否认这些事实，他对部下训话时说：“大家在任何战斗中，如不为团体拼命到底，一旦被人所俘，将来难免不受今天补充团这样的待遇。”1938年，国民党当局向青海征兵，马步芳将“补充团”2400人代替本地人送到兰州，编入第八战区。这些红军战士才脱离了马步芳的魔爪。到西安后，胡宗南听说这些壮丁是红军西路军人员，害怕不想要。八路军驻西安办事处闻讯即进行交涉，终于使这些受尽苦难的同志们回到了陕北革命根据地。
能得到“感化”待遇的是很少一部分人。他们有的是有一技之长的专门人才。原9军通讯人员黄良诚、刘玉庭、曾庆良等被俘后，敌师长马彪对他们说：“你们干事的人（指技术人员）到哪里不一样？你们不要怕，不为难你们，即使捉到徐向前也不为难他，中央有命令。”他们被押到西宁后，就被编入马步芳的电台工作，还有点行动自由。曾庆良在西宁还找到了失散的妻子，两人终于设法团聚了。马步芳原想“感化”这些人为他服务，但这些红军干部都不屈服，经常用电台收听陕北的消息。后来国民党有命令，要把所有红军干部转送南京。他们也坚决要求离开青海。马步芳的电台主任不解地说：“共产党不知道用什么方法教育人，照理说曾庆良等千辛万苦，九死一生，已经脱离了艰难环境，生活方面也算有了一些改善，但他们临走时毫无留恋的表情。”后来，他们被转到兰州拱星墩国民党第八战区监狱，在那里见到了方强、徐太先等红军领导干部，与组织接上了关系，在监狱中开展斗争。当时正是国共合作，国民党当局对这些红军不敢怎么样。在中共代