孙元化为一代儒将，其祖父孙抬是明给事中孙浚的后裔，居江东高桥镇(今上海浦东)，有子3人。父亲孙继统，致力于诗作，不愿为官，后迁居嘉定。孙元化累官登莱巡抚；于辽东镇守有功，后因兵变而被枉杀。有三子：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》。
明万历四十年（1612）举人，从徐光启学习火器和数学，后经侯震?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」。天启六年，努尔哈赤率6万大军号称20万猛攻宁远，明军城头共布置有十一门大炮，威力惊人，努尔哈赤身受重伤，不久身亡，史称“宁远大捷”。崇祯三年一月，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。后袁崇焕杀毛文龙，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）八月，皇太极率清兵攻大凌河（今辽宁锦县），祖大寿围于城内，粮尽援绝。孙元化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，在吴桥发动叛变，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，与总兵官张可大发兵抗击，两路成合击之势。然张焘与孔有德旧职，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）一月登州失陷。总兵张可大自杀，孙元化自杀未成，不向叛军妥协，孔有德念旧让他逃走。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，首辅周延儒欲免元化死罪，求救于徐光启，终无法挽回。最后余大成、宋光兰、王征等遣戍充军，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。
汤若望曾在孙元化死前乔装成送炭工人入狱探望，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。着有《太西算要》、《几何体论》、《几何用法》、《西法神机》等。
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