孫元化為一代儒將，其祖父孫抬是明給事中孫浚的后裔，居江東高橋鎮(今上海浦東)，有子3人。父親孫繼統，致力于詩作，不愿為官，后遷居嘉定。孫元化累官登萊巡撫；于遼東鎮守有功，后因兵變而被枉殺。有三子：孫和鼎、孫和斗、孫和京。孫和斗，屢次謝絕父親部屬的舉薦，不愿為官，潛心整理父親的文稿，編成《水一方人集》。
明萬歷四十年（1612）舉人，從徐光啟學習火器和數學，后經侯震?保薦從軍遼東，協同袁崇煥駐守寧遠，對袁崇煥等幫助極大，袁崇煥譽為「識慧兩精」。天啟六年，努爾哈赤率6萬大軍號稱20萬猛攻寧遠，明軍城頭共布置有十一門大炮，威力驚人，努爾哈赤身受重傷，不久身亡，史稱“寧遠大捷”。崇禎三年一月，孫元化隨孫承宗鎮守山海關，三月加山東按察副使，五月兵部尚書梁廷棟破格薦用孫元化升登、萊二州巡撫。后袁崇煥殺毛文龍，皮島舊將嘩變，登萊巡撫孫元化接收了皮島的叛將孔有德、耿仲明、李九成等人。孔有德被任命為騎兵參將，耿仲明則被派往登州要塞。
崇禎四年（1631）八月，皇太極率清兵攻大凌河（今遼寧錦縣），祖大壽圍于城內，糧盡援絕。孫元化急令孔有德以八百騎趕赴前線增援，然登州遼東兵與山東兵素不和，孔有德抵達吳橋時，因遇大雨春雪，部隊給養不足，士兵搶劫嘩變。孔有德受毛文龍舊部李九成之子李應元的煽動，在吳橋發動叛變，史稱“吳橋兵變”。后孔有德倒戈殺回山東半島，連陷臨邑、陵縣、商河、青城諸城，率兵直趨登州。孫元化急令張燾率遼兵守登州城外，與總兵官張可大發兵抗擊，兩路成合擊之勢。然張燾與孔有德舊職，張燾的兵卒隨即投入孔有德行列，而張可大部大敗。與孔有德是舊交的登州中軍耿仲明、陳光福等，舉火開門響應，崇禎五年（1632）一月登州失陷。總兵張可大自殺，孫元化自殺未成，不向叛軍妥協，孔有德念舊讓他逃走。兵變發生后，朝中多言孫元化已反，三月孫元化、余大成等人被逮至京師鎮撫司，為政敵余應桂、李夢辰、路振飛所陷害，獄中曾遭嚴刑，首輔周延儒欲免元化死罪，求救于徐光啟，終無法挽回。最后余大成、宋光蘭、王征等遣戍充軍，崇禎五年七月二十三日（1632年9月7日）孫元化與張燾同被處死。
湯若望曾在孫元化死前喬裝成送炭工人入獄探望，為其最后告解。孫元化是天主教徒，圣名依納爵（Ignacio），一生重視西方科學，為西洋火炮專家，孫元化之死，代表西方軍事專家派淡出明朝軍隊。著有《太西算要》、《幾何體論》、《幾何用法》、《西法神機》等。
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