他是明朝的一位西洋火炮专家，孙元化的祖父孙抬是明给事中孙浚的后裔。他的父亲孙继统致力于诗作，不愿为官，后迁居嘉定。他出生在嘉定县高桥何家弄，后迁居嘉定县城。他“天资异敏，好奇略”，曾到上海县徐光启学馆受业。明万历四十年举人，从徐光启学习火器和数学，只因热心西学未能考中进士，便放弃科举功名，潜心研究西学。
他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，在天启元年在北京受洗入教，即邀请洋教士到家乡嘉定开教，使嘉定成为中国天主教活动中心之一。
他向朝廷条呈《备京》、《防边》两策，在辽省防务吃紧时，被朝廷重视。兵部尚书孙承宗出任蓟辽经略，用他的筑台制炮主张筑宁远城，他主其事。之后经侯震旸保荐从军辽东，与袁崇焕驻守宁远，对袁崇焕等帮助极大，被誉为“识慧两精”。次年，他助袁崇焕守宁远，当天启六年努尔哈赤率6万大军猛攻宁远时，他共布置有11门大炮，其威力惊人，让努尔哈赤身受重伤，最终病死，是为“宁远大捷”。事实证明筑台制炮是抗金最佳方略，但由于奸人魏忠贤专权，他也被罢官回乡。
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