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。明神宗万历九年(1581)，孙元化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”，(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》)明万历四十年(1612)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)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)，辽省防务吃紧，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，孙助袁崇焕守宁远，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11门大炮，威力惊人，努尔哈赤身受重伤，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。
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