孙元化是嘉定人，他的老师就是著名的科学家、政治家徐光启。孙元化跟随老师徐光启学习西学，对数学特别精通。孙元化先后翻译《几何用法》，删定《勾股义》，同时还撰写《几何体论》、《泰西算要》等著作。与此同时，孙元化还将自己的数学知识应用到军事领域，具体而言就是火炮方面。
孙元化认识到当时中国的火器已经落后于西方，于是他提出了修筑敌台、使用红夷大炮的主张，并得到了孙承宗的赏识。后来孙承宗主持边务，“筑台制炮，一如元化言”。之后，孙元化成为袁崇焕的参谋，协助守卫宁远。1626年，努尔哈赤兵败宁远城下，用一场胜利证明了孙元化“筑台用炮”的策略是正确的。
崇祯元年，袁崇焕再度出山，他直接向崇祯帝提出，要孙元化协助自己。袁崇焕被杀后，孙元化依然坚持他的策略，并且得到了提升，于崇祯三年被任命为登莱巡抚。在任期间，孙元化放开手脚，开始筹建他心目中的火器部队。在老师徐光启的协助下，孙元化从澳门雇佣了葡萄牙的炮师以及铸炮人员。
经过一段时间的努力，孙元化的部队成为当时明朝最精锐的火器部队，拥有佛郎机炮20余门、西洋铳320门、鸟枪1000多杆。孙元化的部队很快就得到了检验的机会。之后，孙元化派总兵黄龙参加收复关内四城的战斗，表现出色。第二年六月，皇太极派出六千人攻打皮岛，想趁着皮岛混乱之际，一举占领此地。
当时，明军的指挥官正是孙元化麾下的总兵黄龙、副总兵张焘。他们运用先进的火器，给清军以极大杀伤，双方激战十余日，最终明军凭借火器优势取得了胜利。此战，清军伤亡上千人，损失惨重。崇祯帝闻讯后，惊呼道：“此捷为十年来一战!”孙元化注重实践，更重视理论工作，他亲自编写了一本军事著作，名为《西法神机》。
在这本书中，孙元化在西方火器技术的基础上，还融入了战争的实践经验，总结起来共分为六项内容，分别为火器倍径技术、火器弹道技术、制造弹药技术、制造炮车的技术、制造炮台的技术、铸造火炮的技术。这本书写完不久，他就卷入了一场动乱。原来他手下的将领孔有德等人发动“吴桥兵变”。
叛军攻破登州后，孙元化虽然被俘，但他依然想招抚叛军，因为登州存有大量先进火器。孙元化被释放后，崇祯帝却将其下狱。虽然内阁首辅周延儒、徐光启极力营救，但崇祯帝不予理睬，执意将孙元化处死。最后，叛军孔有德携带火器跨海投奔清朝，自此清朝终于拥有了先进的火器以及制造技术。而随着孙元化的死，明朝的火器工作陷入停滞，孙元化的儿子也拒绝出来做官。
