孫思邈是古雍州華原人。七歲上學，每天能誦讀一千多字。二十歲左右時，他喜歡談論莊、老及百家學說，也喜歡佛經。洛陽的總管獨孤信，在見了他之後感嘆地說：「這是一個聖童，只怕他器大識小，很難被任用。」後周宣帝的時候，孫思邈以王室多變故的原因，隱居到太白山裡去了。隋文帝輔政的時候，讓他做國子博士。他稱病不起，沒有接受此職。他常常對周圍親近的人說：「再過五十年，應當有一個聖人出世，那時候我將助他濟世救人。」
五十年後，唐太宗即位，把他召到京城，感嘆他的容貌之年輕，對他說：「看見你，我因此懂得有道的人實在應當受到尊重，羨門、廣成等神仙確實不是虛傳。」太宗要授給他爵位，他堅辭不受。唐顯慶四年，唐高宗召見他，請他做諫議大夫，他又堅辭不受。上元元年時，他托病請求還鄉，高宗特賜良馬給他，並把鄱陽公主的城邑賜給他居住。當時的名士，如宋之問、孟詵、盧照鄰等，都以師弟的禮節待他。
盧照鄰病了，住在孫思邈的住宅裡，當時庭院前有一棵大梨樹，盧照鄰就為那梨樹作了一篇辭賦。他在賦的序言中寫道：「癸酉這年，我因病住在長安光德坊的官舍裡，這裡的老人說，這是鄱陽公主的城邑。從前鄱陽公主未嫁前就死了，所以她的城邑一直荒廢著。當時的一位處士叫孫思邈，他通曉古今，學盡各種數術。他深諳道家的理論，他的學問深入不二，就像當今的維摩詰；至於推算天文曆法，度量乾坤，則可以與洛下閎、安期先生相提並論。他自稱生於開皇辛酉年，已經九十三歲了。到鄉間去打聽他，人們都說他已經幾百歲了。另外，他和人們一起談論起周、齊的事來，清清楚楚，就像親眼見過一樣。以此為參照，就知他不止是一百歲的人了。然而他耳不聾，眼不花，神采奕奕。可以說是古代聰明博達長生不老之人。」
當時盧照鄰負有盛名，不幸得了重病，他嗟嘆每個人遭遇的不同，人的壽命竟如此的懸殊。於是他問孫思邈：「名醫治病，其道理何在呢？」孫思邈回答說：「我聽說善於論天的人，必定由這個人的本質而定；善於談論人的人，一定要以天的道理為依據。天有四時的變化，五行的運轉，寒暑交替。它運轉時，和而為雨，怒而為風，凝而為霜雪，張而為虹霓。這是天地的規律。人有四肢和五臟，一醒一睡，呼吸吐納，循環往復。流而為榮衛，彰而為氣色，發而為音聲。這是人體的規律。陽用其精，陰用其形，這是天和人相同的地方。等到失去這種正常現象，蒸則生熱，否則生寒，結而為疣贅，陷而為癰疽，奔而為喘乏，竭而為焦枯。病情呈現在表面，病變卻在形體內。這種道理同樣可推及到天地，也是這樣的。所以五緯盈縮，星辰失度，日月錯行，彗孛流飛，這是天地的危病。寒暑不時，此天地之蒸否也。石立土踴，此天地之疣贅也。山崩地陷，此天地之癰疽也。奔風暴雨，此天地之喘乏也。雨澤不時，川源涸竭，此天地之焦枯也。良醫治病，用藥石疏導，救人時才用針劑；聖人用道德來調和，用政事來輔助。所以，故身體有可治癒之疾，天地有可消之災。」他又說：「膽欲大而心欲小，智欲圓而行欲方。《詩經》上說，‘如臨深淵，如履薄冰’，說的是小心；‘赳赳武夫，公侯乾城’，說的是大膽；‘不為利回，不為義疚’，說的是行為的方正；‘見機而作，不俟終日’，這是心智的圓融。」他的文學造詣，如此超拔出群；他的道術也不可勝紀。
當初魏徵等人受詔編修齊、梁、周、隋等五代史，恐怕有遺漏，就曾多次向孫思邈請教。他用口傳授，像曾親眼目睹一樣。東臺侍郎孫處約，曾經帶著五個兒子孫侹、孫儆、孫俊、孫侑、孫佺去拜見孫思邈。孫思邈說：「孫俊應當首先顯貴；孫侑應當顯達得較晚；孫佺的地位最高，災禍出在執掌兵權上。」後來都像他說的一樣應驗了。太子詹事盧齊卿，小時候向孫思邈請教人倫的事情，孫思邈說：「五十年後，你的官職可達一方諸侯之長，我的孫子會成為你的部下，你應當自己保重才是。」盧齊卿後來做了徐州刺史，孫思邈的孫子孫溥，果然是徐州蕭縣的縣令。孫思邈當初對盧齊卿說這話的時候，孫溥尚未出生，而他已預先知道了孫溥的事情。在孫思邈身上發生了許多這樣奇異的事情。永淳元年，孫思邈逝去，死前留下話要薄葬，不准在墓中放任何殉葬品，不准用活著的牛羊祭奠。一個多月過去了，他的顏貌不改。舉起他的屍體往棺材裡裝的時候，只剩下空空的衣服而已，他已屍解而去，當時的人都驚嘆不已。
他撰寫了《千金方》三十卷、《福祿論》三十卷、《攝生真籙》、《枕中素書》、《會三教論》各一卷。開元年間，又有人發現他隱居在終南山。曾經有一個神仙從天而降，對孫思邈說：「你所著的《千金方》，濟人的功德也很廣了。而用動物做藥，殘害的生命也太多了。你會成為一個屍解的神仙，但不能白日升天成仙了。」此後孫思邈以草木代替虻蟲、水蛭做藥，他作《千金方翼》三十篇，每篇有龍宮仙方一首。
從此，孫思邈時隱時現。咸通末年，山下一家村民，有一個十幾歲的男孩，不食葷血，父母認為他喜歡善行，讓他到白水僧院做了童子。忽然有一位自稱孫處士的遊客，在院中游了一週之後，從袖中取出一包湯藥末交給童子說：「為我像烹茶那樣煎這藥。」藥煎好之後，處士飲了一些，把餘下的湯汁給了童子。童子覺得湯汁味道極美，希望再給他一碗。處士說：「這湯就是為你而煎的！」就把方寸這樣大的一匙藥沫再給他煎著吃。他向同伴們說了此事後，出門一看，發現處士已離去了。童子也騰空飛了起來。眾人正在驚異之間，一看那煎湯的鍋子，已變成金了。這以後也時常有人見到孫思邈。
