孙元化为一代儒将，其祖父孙抬是明朝给事中孙浚的后裔，居江东(今上海市浦东新区高桥镇)，有子3人。父亲孙继统，致力于诗作，不愿为官，后迁居嘉定。万历九年（1581年），孙元化出生于南直隶苏州府嘉定县江东（今属上海市浦东新区高桥镇）何家弄，后迁居嘉定县城。他“天资异敏，好奇略”，(光绪《嘉定县志·人物》)，曾到上海县徐光启学馆受业(程嘉燧《寿怀西徐翁序》)。万历四十年（1612年）举人，从徐光启学习火器和数学，只因热心西学，未能考中进士，遂放弃科举功名，潜心研究西学。孙元化因恩师徐光启接触到西洋教士和西学。在徐光启入教后，他确认天主教能“补益王化，左右儒术，救正佛法”后，于天启元年(1621年)在北京受洗入教，即邀请洋教士到家乡嘉定开教，遂使嘉定成为中国天主教活动中心之一。天启二年（1622年），辽东防务吃紧，孙元化向朝廷条呈《备京》、《防边》两策，受到朝廷的重视。兵部尚书孙承宗出任蓟辽经略，用孙元化筑台制炮主张，筑宁远城，孙主其事(《明史·孙承宗传》)。后经侯震旸保荐从军辽东，协同袁崇焕驻守宁远，对袁崇焕等帮助极大，袁崇焕誉为“识慧两精”。次年，助袁崇焕守宁远。天启六年，清太祖率6万大军号称20万猛攻宁远，明军城头共布置有11门大炮，威力惊人，清太祖身受重伤，七个月后病死，史称“宁远大捷”。事实证明筑台制炮是抗金最佳方略。由于奸人魏忠贤专权，袁崇焕被迫引退，孙元化也被罢官回乡。

崇祯元年（1628年），明思宗继位，诛杀魏忠贤，袁崇焕复出，点名要孙元化襄赞辽东军务。第二年，金军直犯北京，多疑的明思宗中了清太宗的反间计，冤杀袁崇焕。孙元化在关内关外隔绝的困境中，团结将士，借助西洋大炮，驻防的八城、二十四堡屹立不动(光绪《嘉定县志·人物》)。孙元化力主以广宁为抗金前沿阵地，逐步向前推进。明廷未采纳其正确主张。崇祯三年（1630年）一月，孙元化随孙承宗镇守山海关，三月，加山东按察副使，五月，兵部尚书梁廷栋破格荐用孙元化升登、莱二州巡抚。孙元化在登州网罗西学英才，大胆募用西士，组建一支有27名欧人的外籍军团，使登州成为“东陲之西学堡垒”(方豪《中西交通史》)。崇祯二年，袁崇焕杀毛文龙，皮岛旧将哗变，登莱巡抚孙元化接收了皮岛的叛将孔有德、耿仲明、李九成等人。孔有德被任命为骑兵参将，耿仲明则被派往登州要塞。

崇祯四年（1631年）八月，清太宗率清军攻大凌河（今辽宁锦县），祖大寿围于城内，粮尽援绝。孙元化奉命派兵赴援。孙元化抚登时，辽人避战乱居山东者十万馀人，孙认为辽人可用，重用了一批辽将，今要赴援辽东，急令孔有德以八百骑赶赴前线增援。然登州辽东兵与山东兵素不和，孔有德抵达吴桥时，因遇大雨春雪，部队给养不足，士兵抢劫哗变。孔有德受毛文龙旧部李九成之子李应元的煽动，在吴桥发动叛乱，史称“吴桥兵变”。后孔有德倒戈杀回山东半岛，连陷临邑、陵县、商河、青城诸城，率兵直趋登州。孙元化急令张焘率辽兵守登州城外，与总兵张可大发兵抗击，两路成合击之势。然张焘与孔有德旧识，张焘的兵卒随即投入孔有德行列，而张可大部大败。与孔有德是旧交的登州中军耿仲明、陈光福等，举火开门响应，崇祯五年（1632年）一月，登州失陷。总兵张可大自杀，孙元化战败自刎未遂，为叛军所俘。囹圄中的孙元化对孔有德等叛将晓以利害，明以大义，孔有德回心转意，请求招安。朝廷也同意孙元化带罪招抚，但巡按王道纯藏匿了诏书，叛军长时间求招安不得，复乱。孙元化又说服叛军，让他回朝陈明真相。孙元化返京之际，王道纯袭击叛军，乱事扩大。兵变发生后，朝中多言孙元化已反。三月，孙元化、余大成等人被逮至京师镇抚司，为政敌余应桂、李梦辰、路振飞所陷害，狱中曾遭严刑。至此，孙元化有口难辩，被明思宗以祸乱之首判处死罪。首辅周延儒欲免元化死罪，求救于徐光启，终无法挽回（《明史》卷248）。最后，余大成、宋光兰、王徵等遣戍充军，崇祯五年七月二十三日（1632年9月7日），孙元化与张焘同被处死。孙元化在北京西市斩首。他的冤死一事，被其子孙和斗写进了《国恤家冤录》一书。遗体被儿子和部下迎葬于嘉定南门外的荒圩中，坟前立有一方石碑，上书“佥都御史孙元化墓”（宋伯胤《孙元化著述略述》）。汤若望曾在孙元化死前乔装成送炭工入狱探望，为其最后告解。 孙元化是天主教徒，圣名依纳爵（Ignacio），一生重视西方科学，为西洋火炮专家。孙元化之死，代表西方军事专家派淡出明朝军队。他有三个儿子：孙和鼎、孙和斗、孙和京。孙和斗屡次谢绝父亲部属的举荐，不愿为官，潜心整理父亲的文稿，编成《水一方人集》。孙元化短短一生，有两事影响历史。一以炮术报效国家，近则有功辽防，远则有利西学传播。二开教嘉定。两事均与教士东来、西学东渐相关。