孙元化（1581－1632），字初阳，号火东。明嘉定（今上海市嘉定县）人。明万历四十年（1612）举人，曾跟随徐光启学习火器和数学，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，被袁崇焕誉为“识慧两精”。
1622年（天启二年）广宁失陷后，孙元化上备京、防边二策，详陈筑台制炮之术，深得孙承宗认可，后其经略辽东，孙元化随同前往。其后，孙承宗代王在晋任兵部尚兵经略蓟辽，他听从孙元化的意见，修筑城堡炮台、练兵屯田，大力加强防务。孙元化则仿制西洋巨炮。
后来孙元化协助袁崇焕镇守宁远。袁崇焕领导军民筑城坚守，发射西洋巨炮，屡次击退清军的进攻。崇祯初年，袁崇焕任兵部尚书督师蓟辽，又请求孙元化辅佐。
孙元化还深受徐光启的重视。1630年（崇祯三年），皮岛副将刘兴治作乱时，徐光启上疏奏请“速召孙元化、王征于登州”，孙元化任登莱巡抚。后皮岛旧将哗变，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，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”。
孙元化希望能加以招抚，命各郡县勿迎击。到孔有德部即将攻占登州时，孙元化仍派人招降。
崇祯五年（1632）一月，登州城在叛军里应外合之下陷落，总兵张可大自杀，孙元化自杀未成，为叛军所执，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，为政敌温体仁、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。
他的冤死一事，被其子孙和斗写进了《国恤家冤录》一书。遗体被儿子和部下迎葬于嘉定南门外的荒圩中，坟前立有一方石碑，上书“佥都御史孙元化墓”。
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。曾随徐光启和利玛窦合译古希腊数学著作《几何原本》（前6卷），协助徐光启完成《勾股义》的编写。独立撰写《泰西算要》、《几何用法》、《几何体论》、《西学杂著》等科学著作。所著的《西法神机》2卷，是中国第一部介绍西洋铸炮、制火药、筑炮台等方面的军事科技著作；《经武全书》10卷，提出了许多精辟的用兵之道。
孙元化之死，代表西方军事专家派淡出明朝军队。