早期经历
孙承宗，字稚绳，相貌奇伟，胡须张开像戟一样，声音浑厚。孙承宗曾先后在大理寺右丞姜壁和兵备道房守士等朝廷官员的家中，做家庭教师.后来，因房守士升任大同巡抚，孙承宗随行。大同是当时明朝的边城重镇，承宗边境教书时，对军事有着浓厚兴趣。喜欢和边关老兵和低级军官交谈，询问一些关于边关防务的问题，慢慢的对边关的军务有所了解。
万历三十二年（1604年），孙承宗中进士第二名，授翰林院编修，而后转拜中允。
万历四十三年（1615年），张差手执木棍，闯进太子住的慈庆宫 ，打伤守门太监，被抓住后自称是受郑贵妃指使，朝中大臣怀疑是郑贵妃想谋害太子，但明神宗与太子都不愿深究，以疯癫奸徒罪将张差处死。大学士吴道南询问孙承宗这事该怎么处理，孙承宗说：“这件事关系到东宫，不能放任不理，但是又涉及到后宫，不能追查的太彻底。庞保、刘成以下的小人物要追查到底，庞保、刘成上面的人物牵扯太多，应当适可而止。”吴道南于是按孙承宗所说的去做，将此事平息了下来。
万历四十五年（1617年），孙承宗主持应天乡试，因为试题上写了孙承宗的语录，而遭到党人的忌恨，党人试图利用官员每三年一次的考核将孙承宗逐出京师，学士刘一燝力保孙承宗，孙承宗得以相安无事。
万历四十八年（1620年），明熹宗朱由校即位，孙承宗以左庶子充当日讲官。
巡行辽东
天启元年（1621年），孙承宗官升少詹事。同年，后金进攻辽东，沈阳、辽阳先后被攻陷，辽东经略袁应泰自杀。御史方震孺奏请熹宗朱由校以孙承宗代替崔景荣为兵部尚书，朝中大臣也认为孙承宗知晓兵事，推举孙承宗为兵部添设侍郎，主持辽东防务。
天启二年（1622年），王在晋确定在八里铺筑城，并上报朝廷。此举遭到其部下宁前兵备佥事袁崇焕、孙元化等人的坚决反对。他们认为筑城“非策”，极力劝阻，并写信给首辅叶向高，申诉己意。由于情况不明，叶向高难以断定可否。孙承宗遂提出前往实地考察，再作决断。他抵达山海关后，当即认真巡视山海关及王在晋所主张建筑的八里铺新城，又前往考察了中前所、一片石和黄土岭等处的战略地势。在阅察八里铺新城时，孙承宗曾与王在晋展开过激烈的争论，明史载：“新城成，即移旧城四万人以守乎？”孙承宗问。王在晋答曰：“否，当更设兵。”孙承宗又问：“如此，则八里内守兵八万矣。一片石西北不当设兵乎？且筑关在八里内，新城背即旧城趾，旧城之品坑地雷为敌人设，抑为新兵设乎？新城可守，安用旧城？如不可守，则四万新兵倒戈旧城下，将开关延入乎，抑闭关以委敌乎？”答：“关外有三道关可入也。”问：“若此，则敌至而兵逃如故也，安用重关？”答：“将建三寨于山，以待溃卒。”孙承宗责 问：“兵未溃而筑寨以待之，是教之溃也。且溃兵可入，敌亦可尾之入。今不为恢复计，画关而守，将尽撤藩篱。日哄堂奥，畿东有宁宇乎？”严厉批评了王在晋画地为牢、坐以待毙的危险倾向。“在晋无以难”，但仍固执己见。而辑录奏章疏旨，成书于崇祯年间的《三朝辽事实录》中孙承宗自己的奏章对这件事情是这么写的：“臣时执偏见谓经臣议，诚然，独是八里为两城，而旧城之坑壕空营当在三里之外，而新城之守卒法当四万。则四万之退步跟将及之，而一不戒，将城下之备尽为我设，北山南水既无旁出，而贼方拥此四万于旧城之下，开关延之不可，闭关谢之不可。将城上之备，又为我设，而城中惊溃无问也。经臣曰：于山建山寨三，以为退守计，而三道关俱可入。盖法云，置之死地而生。经臣言边兵善走也，即杀不能止，况大势散，谁复为杀者。故为两城以固其心，而实置之死以励其必死之气，臣遂无以应。”一比对就会发现，明史只摘录了两人争论的前半部分，把王在晋的反击去掉了，于是辩论的结果就被完全逆转，从孙承宗“无以应”变成“在晋无以难”。
熊廷弼被罢免后，朝廷以王在晋为辽东经略。王在晋上任后打算袭取广宁，但总督王象乾认为就算能攻取广宁，但也不容易守住，还不如重守山海关防卫京都。于是王在晋在山海关外八里铺修筑重关，留四万人马去守。袁崇焕认为王在晋此举不是好的策略，与王在晋争辩无果后，上书给首辅叶向高。叶向高却认为不能凭主观猜测，于是孙承宗请求亲自前往辽东决断。朱由校非常高兴，加封孙承宗为太子太保，并赏赐蟒袍、玉带、银币等。
孙承宗到达山海关后，巡行边塞，袁崇焕向孙承宗请示道：“在宁远驻扎五千兵力，以壮十三山的声势，然后派遣将领带兵去救援十三山。宁远距离十三山只有两百里，可以轻易占据锦州，如果不行再退守宁远，怎么能放弃十万难民？”孙承宗于是与总督王象乾商议，王象乾认为驻扎关上的军队刚刚打了败仗，士气沮丧，不如调动插部护关的军队三千人前往宁远，孙承宗同意后一方面调兵前往宁远，一方面去救难民，救援失败，十万难民只救回六千人。
孙承宗对此询问王在晋：“新城修筑好以后，是不是要将旧城的兵马移四万人来驻守？”王在晋说：“应该另外设立一支四万人的军队。这样一来，八里铺就有八万兵了，可是一片石西北不派兵驻守吗？在八里铺内修筑重关，新城后面就是旧城，旧城前面埋的地雷是用来对付敌人的，还是用来对付自己新兵的？新城可以守的话，还用得着旧城吗？新城要是不能守，四万守兵倒戈，你是打算开关放敌人进来，还是闭关投降敌人？”“如果这样的话，敌人兵临城下，士兵像先前那样逃跑，哪里还用得上重关？”孙承宗说：“准备在山上建三座营寨，防止士兵溃逃。”王在晋说：“士兵没有溃败就修筑营寨等待他们，你这是在教士兵逃跑吗？况且逃跑的士兵可以进来，敌人也可以尾随他们进来。你现在不为恢复做打算，却在这闭关自守，把关外防线全部撤离，还天天在朝廷争斗，京都以东还有安宁之日吗？”（三朝辽事实录的版本为“臣时执偏见谓经臣议，诚然，独是八里为两城，而旧城之坑壕空营当在三里之外，而新城之守卒法当四万。则四万之退步跟将及之，而一不戒，将城下之备尽为我设，北山南水既无旁出，而贼方拥此四万于旧城之下，开关延之不可，闭关谢之不可。将城上之备，又为我设，而城中惊溃无问也。经臣曰：于山建山寨三，以为退守计，而三道关俱可入。盖法云，置之死地而生。经臣言边兵善走也，即杀不能止，况大势散，谁复为杀者。故为两城以固其心，而实置之死以励其必死之气，臣遂无以应。”）孙承宗无话可说，孙承宗于是召集诸将商议关外防守的问题。袁崇焕主张守宁远，阎鸣泰主张守觉华岛，王在晋主张守中前所。孙承宗采用袁崇焕的建议，并亲自镇守关门。而后明熹宗在孙承宗的建议下罢免了王在晋的辽东经略之职。
督师蓟辽
天启二年（1622年）八月，孙承宗于是自请为督师，还让蓟、辽等原来的将领监管各处，见机行事时不必受到其他人的限制。孙承宗用阎鸣泰为辽东巡抚，又用鹿善继、王则古为赞画，并请求从国库带走八十万钱。皇帝朱由校同意后，亲自将孙承宗送出宫门，并赐给孙承宗尚方宝剑、坐蟒等，内阁大臣将孙承宗直送到崇文门外。
孙承宗上任后，让江应诏制定军事编制，让袁崇焕建造营房，李秉诚训练火器装备，鹿善继、王则古处理军需物资，沈棨、杜应芳维修甲仗，孙元化修筑炮台，宋献、程仑购买军马，万有孚采伐树木，祖大寿辅助金冠守觉华岛，陈谏助赵率教守前屯，鲁之甲拯救难民，杨应乾招募辽人编制成军队。
孙承宗发现先前关上的士兵没有纪律，而且有大量的不符合条件的人冒领军饷，于是孙承宗阅兵后，将河南、真定等地不符合条件的士兵全部遣回。将鲁之甲所拯救出的难民征召七千人出来去驻守前屯，杨应乾招募的辽人军队去镇守宁远，请求朝鲜声援辽东，又犒赏东江镇的毛文龙，让他四面防卫。并传令给沈有容进据广鹿岛。而后江应诏被弹劾，孙承宗请求让马世龙代替，并让尤世禄、王世钦为南北帅，听马世龙调遣。朱由校听从孙承宗的建议并赐给马世龙尚方宝剑。
登莱巡抚袁可立与孙承宗同为天启二年殿试同考官，共同主辽期间满人蜷伏。孙承宗将辽海防务委之于袁可立，十分倚重。他说道：“读后先大疏，皎皎揭日月，行中天而底里洞彻，殊令人可味，可展布四体，仰酬国恩” （孙承宗《高阳集·答袁节寰登抚》）。
朝廷有人重山海轻沿海，甚至有人请求裁撤登莱巡抚。但孙承宗认为“恢辽全着，必资于海。”请求“皇上敕该部分部两镇汛地，酌给登镇（沈有容）兵丁，敕登莱抚臣（袁可立）用心料理，仍令节制两镇，凡一应兵马钱粮、徵收调遣、防剿功罪尽归经理。”
皇帝朱由校喜欢视察边关，经常派东厂的人到关门，然后将边关的事情上报给朝廷。魏忠贤掌权后派遣自己的党羽刘朝、胡良辅、纪用等四十五人带着数万武器装备来到关门，供给边关军队，又用白金十万，蟒、麒麟、狮子、虎、豹等银币赏赐将士，赐给孙承宗蟒服、白金等，表面上是慰劳军队，实际上是窥探军情。孙承宗出关巡视宁远，听到这个消息立刻上书给朱由校，说不能让宦官监军，但朱由校却回复说这没什么。使者到边关后，孙承宗只用茶水招待。
天启三年（1623年）孙承宗推荐阎鸣泰当辽东巡抚以后，认为他没有实际才能，所以军事上的事很多都不跟他商议，阎鸣泰因此感到不高兴，朝廷议论后，将阎鸣泰罢免，用张凤翼接替，但张凤翼胆小，又主张退守山海关。孙承宗对此感到不高兴，出关巡视宁远，召集众将开会，多数将领都想退守山海关，马世龙建议守中后所，袁崇焕等主张守宁远。孙承宗采用袁崇焕的主张，于是让祖大寿修建防御工事，令袁崇焕、满桂驻守宁远。
孙承宗担心自己的权利受到限制，上书朱由校说督师和总督不能同时设立，请求将自己罢免。朱由校于是终止总督的推选，令辽东巡抚移驻宁远，张凤翼觉得这是置自己于死地，与万有孚等诋毁马世龙。没过多久，万有孚被蓟州巡抚岳和声弹劾，张凤翼于是称马世龙和袁崇焕陷害，捏造谎话欺瞒朝廷，试图阻挠出关的计划。给事中解学龙也大力陈说马世龙的罪过，孙承宗非常生气，上书给朱由校说边关的防守策略，说宁远、觉华不能放弃，并为马世龙辩解，又揭发万有孚与张凤翼等勾结的罪状。
天启四年（1624年），宁远城修复，关外的守备器械也已建造完毕，孙承宗上书朱由校请求发军饷二十四万，这样就可以大举进攻了，但兵部和工部却横加阻挠，向朱由校进谗不能给钱，孙承宗上书催促无果，孙承宗大军因此没有出征。
孙承宗坐镇辽东的四年，与天津巡抚李邦华、登莱巡抚袁可立遥相呼应，“关门息警，中朝宴然，不复以边事为虑矣。”在这样相对安定的大背景下，按照战功来衡量，似乎孙承宗有些碌碌无为。然当时的兵部尚书王永光对孙承宗积极防御的一番作为作过很中肯的评价：“兵家有云，善战者，无赫赫之功！”两年下来，孙阁老和袁军门一直没有发动大战役的机会，而发动战略总反攻把后金赶出去的机会又不成熟。但反过来说，孙阁老在无形中为朝廷省下了许多军费，确保了山海关安然无恙，使明朝有了更多的机会养精蓄锐，充分显示了天朝的不战之威。”首辅孔贞运评价道：“公久历海上，凡地形险易，军储盈缩，将吏能否，虏情向背皆洞若烛照，故登莱终公（袁可立）之任销锋卧鼓。”（《兵部尚书节寰袁公墓志铭》）这也从另一方面肯定了孙承宗和袁可立积极防御之功。令人惋惜的是，正当孙、袁二公积数年之力准备大有作为组织大反攻之时，阉党已全面掌控局势，逼迫袁可立和孙承宗先后去职。
孙承宗与袁可立是很好的搭档，从后来柳河之役的失败来看，袁可立的离任对孙承宗的军事行动有很大的影响和缺憾。从后来的战争结果看，袁可立的实战能力更强，在登莱缺粮少援的弱势状态下，竟然能在数月内组合优势兵力纵横海上，战线绵延至上千里，调度两镇兵马多次奇兵突袭，以反间计策反后金女婿刘爱塔，连克金、复、盖三卫旅顺、红嘴、望海、永宁等堡多个战略要地，使后金数年间蜷缩一隅无以西窥。袁可立的登莱战区竟然成为了明清战争史上唯一主动出击叫战的正面战场。
罢官归乡
而此时魏忠贤企图扩张权利，见到孙承宗功劳非常高，想要攀附，于是派刘应坤向孙承宗表明自己的意思。但孙承宗见到刘应坤之后与他一句话也不说，魏忠贤因此记恨孙承宗。魏忠贤迫害朝中大臣，将杨涟、赵南星、高攀龙等驱逐出京，孙承宗正在巡视蓟州一带，想到上反对奏书皇上未必会亲自阅览，于是以贺寿为由请求入朝面奏，借机弹劾魏忠贤。魏广微听说后将这个消息告诉了魏忠贤，说孙承宗打算以清君侧为由杀掉魏忠贤，魏忠贤于是跑到皇帝朱由校床前，哭着求情，顾秉谦也说没有圣旨私自离开防守的地方，不合法度。于是朱由校连夜召见兵部尚书，派三人骑快马阻止孙承宗。魏忠贤又假传圣旨给九门的宦官，若孙承宗到了齐化门，就将他绑了。孙承宗到达通州后，接到朱由校的旨意，只好返回辽东。魏忠贤又让党羽李蕃、崔呈秀、徐大化上书诋毁孙承宗。孙承宗于是请求罢官。
天启五年（1625年），给事中郭兴治请求朝中大臣讨论孙承宗的去留问题，很多人都弹劾孙承宗说他冒领军饷，而吏部尚书崔景荣支持孙承宗，朱由校于是下诏让孙承宗继续督师辽东，却让孙承宗精兵简将，减少军饷。而孙承宗刚刚派遣诸将分别驻守锦州、大小凌河、松山、杏山、石屯等地，扩张二百里，将尤世禄、李秉诚等将罢免，裁剪军队一万七千人，节省开支六十八万。
同年九月，马世龙误信降人降将刘伯漒，派鲁之甲、李承先袭取耀州，中计身死，损失四百余人。于是魏忠贤党羽趁机弹劾马世龙和孙承宗，孙承宗于是强烈请求辞官，十月，朱由校同意孙承宗辞官，并给孙承宗加特进光禄大夫，儿子世袭中书舍人，又赏赐蟒服、银币等，并派人保护孙承宗回家。而让兵部尚书高第为辽东经略。没过多久，安性也罢官，朱由校于是不再设立巡抚。
天启六年（1626年），高第上任后，将两百里守兵全部撤回，退守山海关。而清努尔哈赤得知孙承宗辞职后，率军大举进攻。袁崇焕抗拒高第的命令，不肯撤出宁远城，与满桂、祖大寿等依靠昔日与孙承宗做的军事准备将清军击退，取得宁远大捷。而高第却试图以宁远被围，关门兵只有五万弹劾孙承宗，孙承宗告诉户部说：“高第到山海关时领了十一万七千人的军饷，现在只给五万人的军饷就可以了。”于是高第以妄言被治罪。魏忠贤也想陷害孙承宗，但也失败。
孙承宗督师辽东四年，前后修复九座大城，四十五座堡垒，招练兵马十一万，建立十二个车营、五个水营、两个火器营，八个前锋后劲营，制造甲胄、军用器械、弓矢、炮石等打仗用的装备有几百万，开疆扩土四百里，屯田五千顷，年收入十五万。朱由校记孙承宗大功，让他的儿子世袭锦衣卫千户。
再次上任
崇祯元年（1628年），明熹宗朱由校驾崩，其弟明思宗朱由检即位，王在晋得以入朝为兵部尚书，王在晋十分怨恨孙承宗，于是极力诋毁孙承宗以及马世龙，阻拦孙承宗的出仕。
崇祯二年（1629年），袁崇焕先前为魏忠贤建立生祠，又擅自与清军讲和，后来为了议和又设计矫诏将牵制清军的东江毛文龙杀死，将登莱巡抚袁可立积数年之力经营的海上防务瓦解殆尽。同年十一月，清军大举进攻，从大安口直取遵化，快要直逼都城。朝中大臣奏请朱由检应该召来孙承宗。于是朱由检下诏仍以孙承宗原来的官职兼任兵部尚书去驻守通州。孙承宗入宫后，朱由检在平台召见，问孙承宗的退敌策略，孙承宗说：”我听说袁崇焕驻守蓟州，满桂驻守顺义，侯世禄驻守三河，这是防守的好策略。但又听说尤世威回昌平，侯世禄驻守通州，有些不合时宜。“朱由检问：”你打算守三河是什么意思？“孙承宗说：”守三河可以阻止敌人西奔，遏制敌人南下。“朱由检觉得孙承宗的计策很好，又问：”那又要怎么保卫京都。“孙承宗说：”在危急的时刻，不能让守城人忍受饥饿寒冷，整备好军备，犒劳将士们，巩固人心。“孙承宗的计策朱由检都觉得很好，于是对孙承宗说：”你可以不去通州，就在京城总督内外军务，运筹帷幄。“于是孙承宗让首辅韩爌修筑关防，又亲自到都城各处巡防，第二天半夜，朱由检突然传旨让孙承宗去守通州。孙承宗于是领二十七名骑兵出东便门，直奔通州，与保定巡抚解经传、御史方大任、总兵杨国栋固守通州。但不久之后，清军绕道直逼京都，孙承宗于是派遣尤岱率领三千骑兵支援，派遣刘国柱率领二千兵马与尤岱回合，调三千密云兵驻守东直门，五千保定兵驻守广宁门，又派人收复马兰、三屯二城。
同年十二月，袁崇焕因一系列罪行被下狱，将领祖大寿在城外与清军作战时被自家军队用炮石砸击，祖大寿进退两难，与副将何可纲率领五千人往东溃走。孙承宗得知后，急忙派遣贾登科带着自己的书信去抚慰祖大寿，又派石柱国抚慰其它将士。祖大寿却不为所动。但孙承宗也认为袁崇焕有罪，但仍然上书朱由检，力保祖大寿，说祖大寿不会真的反叛。孙承宗又派人让祖大寿上奏章说明自己为什么往东溃逃，祖大寿于是向皇帝朱由检上书，朱由检非常高兴，不怪罪祖大寿。而辽东将士大多马世龙部曲，朱由检命孙承宗移镇关门，溃逃的将领听闻孙承宗与马世龙到来，才安心回归。
崇祯三年（1630年），清军占据遵化、永平、迁安，又分兵攻取抚宁，抚宁是史可法在守，清军攻取不下，又转攻山海关，又攻不下，于是清军又攻抚宁及昌黎，可还是攻不下。而孙承宗抚慰溃军，祖大寿等重归于麾下，又有马世龙及四方援军，孙承宗又招募大量死士沿海守卫直达京师。
京都戒严后，全国各地来勤王的士兵多达二十万，在蓟门及京畿一带驻扎。马世龙于是建议孙承宗先收复遵化，但孙承宗认为遵化在北，容易攻取却很难守，不如收复滦州。计划好后，孙承宗于是令东西各营一起进兵。五月，祖大寿、尤世禄等攻克滦州，王维城等攻克迁安，孙承宗占据永平，谢尚政攻克遵化，清军溃败而走。皇帝朱由检于是加封孙承宗为太傅，再赐蟒服、金币等，子孙世袭锦衣卫指挥佥事。
崇祯四年（1631年），孙承宗巡视松山、锦州等，上书朱由检关内外政事，朱由检全部采纳，又加孙承宗太傅，兼领尚书的封路，子孙世袭尚宝司丞，又赏赐蟒服钱币等。
同年七月，因先前高第尽撤宁锦防线，右屯、大凌河等城被毁，孙承宗派人对其进行重新修筑，但不久之后清军却突然来围攻。孙承宗赶赴锦州，派遣吴襄、宋伟前往救援，而辽东巡抚邱禾嘉多次改变出师的日期，导致吴襄、宋伟在长山被清军大败。十月，祖大寿投降，大凌河刚被修好就被损毁。朝中大臣于是责怪孙承宗修复旧城导致失败，丧师辱国。孙承宗于是以病请辞。而后孙承宗在高阳城回乡居住。
满门壮烈
崇祯十一年（1638年），清军大举进攻，十一月，进攻高阳。赋闲在家的孙承宗率全城军民守城，城破被擒，自缢而死（《初学集》、《明史》及民国版《高阳县志》等均持此说。他的五个儿子，六个孙子，两个侄子，八个侄孙战死，孙家百余人遇难，孙承宗时年七十六岁。朱由检闻讯后哀伤悲叹，命有关官员从优抚恤。
弘光元年（1644年）九月十三日，南明弘光帝朱由崧追赠孙承宗太师，谥号“文忠”。
清朝乾隆年间，撰《钦定胜朝殉节诸臣录》，追谥孙承宗“忠定”。