孙思邈，京兆府华原县人。他七岁入学，一天能背诵一千多字的课文。少年时代，就很会谈论老子、庄子以及先秦诸子百家的学说，并且喜爱佛经。洛州总管独孤信见到他后赞叹说：“这是个神童。只是遗憾他本领太大，在我这小小州衙难得施展。”北周宣帝时(579)，由于王室经常发生变故，他就隐居到太白山中。隋文帝杨坚辅佐北周朝政，征聘他担任国子博士，他推说生病没有出任。曾经对他的好友说：“五十年后，会出圣人，那时我才帮助他治理天下。”太宗李世民登上帝位(627)，征召他到京城，对他并无欣喜感激的神色而感慨，对他说：“从这可以明白有道德学问的人实在应当敬重，古代的仙人羡门、广成子，怎会是虚假的呢！”要授给他爵位，他坚决谢绝。显庆四年(659)，高宗李治召见他，授予他谏议大夫官职，又坚决谢绝。
高宗上元元年(674)，孙思邈因病请求回乡，高宗特地赐给他骏马，安排他住进鄱阳公主封地的庄园别墅。当时的著名诗人学者宋令文、孟诜、卢照邻等人，按照孝敬老师的礼仪侍奉他。孙思邈曾经伴随高宗到九成宫避暑，卢照邻就替他看守住宅。当时厅堂前有棵生病的梨树，卢照邻为它写了一篇赋，赋的序言说：“癸酉这年(673)，我在长安光德坊的官舍养病。当地老年人说：‘这是鄱阳公主的庄园别墅。当年鄱阳公主尚未结婚就去世了，因而别墅也就空着。’现在有孙思邈处士居住。孙思邈思想贯通古今，学术穷尽天文、历法、占卜。他阐述世界万物永恒不变之根本的高超见解，就是古代的庄子；研究精深的学问专心致志，就是当今中国的维摩诘圣僧。推算天文历法，测定天地阴阳，就跟西汉洛下闳，先秦安期生相匹配了。”卢照邻患有痛苦难治的疾病，医治不好，就问孙思邈：“高明的医生治好人的疾病，他凭的是什么？”孙思邈说：“我听说会谈自然规律的，一定要用人情事理作为依据；会谈人情事理的，也要以自然法则为根本。大自然分春夏秋冬四个季节、水火木金土五种元素，冷热交替，就是它循环运行的规律，平和就下雨，激奋就刮风，凝滞就结霜落雪，扩展就出彩虹，这些都是大自然的正常现象。人有上下四肢、脾肺肾肝心五脏，起床睡觉，呼气吸气，精神元气时衰时旺，通畅就生气血，显现就是神色，振动就有声音，这些就是人的正常现象。从显露的表象，看隐蔽的实质，这是研究自然和人体的共同方法。一旦阴阳失调，地气升腾就发烧，天气阻隔就发冷，充塞就长疱疖，匮乏就生脓疮，奔跑就会喘息困乏，干渴就会焦黄枯燥，症状显露在面容，病情改变着形貌。如此类推自然现象也是这样。因此金木水火土五大行星忽大忽小，群星运行的轨道错乱，日食月食，彗星飞行，这些就是大自然的反常征兆。冷热不按季节，是天地之间发生滞塞；平地隆起山丘，就是大地长了疱；山崩地震，就是大地长了脓疮；狂风暴雨，就是大自然的喘息困乏；河流沟渠干涸，就是大自然焦黄枯燥。对于人体疾病，高明的医生用药物疏通，用针灸治疗；对于自然灾变，国君人臣用最高尚的道德理顺天意民心，用最大的努力解决具体问题，那么人体疾病有的可以治好，自然灾害有的可以消除。”他又说：“治病胆要大心要细，考虑要周密行动要坚决。《诗经》里写道：‘如同站在深渊旁，如同走在薄冰上’，这是说要小心；‘你是雄健威武的儿郎，你是杀敌卫国的猛将’，这是说要大胆；‘不为私利改变志向，不为非议感到彷徨’，这就是行动坚决；‘能够随机应变，决不迟疑一天’，这就是考虑周密。”
孙思邈自己讲他出生于隋文帝开皇辛酉年(601)，到今年九十三岁了，问他的乡亲，都说他是几百岁的人，他谈起北周、南齐年间的往事，分明可数如同亲眼所见，以此验证，他不止一百岁了。然而视力听力还没衰退，神采奕奕，可以说是耳聪目明博闻通达的活古人。
当初，魏征等人按照太宗的指示编纂南齐、南梁、南陈、北周、隋朝的历史，担心遗漏，多次询问他，孙思邈口述起来，宛如亲眼看见。东台侍郎孙处约带着五个儿子孙亻廷、孙儆、孙俊、孙佑、孙亻全拜望孙思邈，孙思邈说：“孙俊会最先获得高官；孙佑会最后显贵；孙亻全的名气会最大，祸患会出在掌握军权上。”此后的事情都跟他预言的一样。太子詹事卢齐卿孩童时，向他询问日后祸福，孙思邈说：“你五十年后会当上地方高级官员，我的孙子会当你的下属，能够自我保护平安。”后来卢齐卿当了徐州刺史，孙思邈的孙子孙溥果然当了徐州所辖的萧县县丞。孙思邈当初对卢齐卿预言祸福时，孙溥还没有出生，就预先知道了未来情况。他令人惊异的各种业绩，多半是这一类事情。
孙思邈于高宗永淳元年(682)去世。遗嘱要求从简安葬，不要陪葬器物，不用羊牛猪等祭祀牲畜。死后一个多月，脸色外貌没有变化，抬起遗体入棺，轻得好像只是拿着空空的衣服，人们为之惊异。他为《老子》、《庄子》撰写了注释，编著《千金方》三十卷，流传后世。还著作了《福禄论》三卷，《摄生真录》和《枕中素书》、《会三教论》各一卷。
儿子孙行，武则天天授年间任凤阁侍郎。