京兆華原（今陜西耀縣）人。幼聰穎好學。自謂“幼遭風冷，屢造醫門，湯藥之資，罄盡家產”。及長，通老、莊及百家之說，兼好佛典。年十八立誌究醫，“頗覺有悟，是以親鄰中外有疾厄者，多所濟益”。北周大成元年（579），以王室多故，乃隱居太白山（在今陜西郿縣）學道，煉氣、養形，究養生長壽之術。及周靜帝即位，楊堅輔政時，征為國子博士，稱疾不就。隋大業（605～618）中，遊蜀中峨眉。隋亡，隱於終南山，與高僧道宣相友善。唐太宗李世民即位，召至京師，以其“有道”，授予爵位，固辭不受，再入峨眉煉“太壹神精丹”。顯慶三年（658），唐高宗又征召至京，居於鄱陽公主廢府。翌年，高宗召見，拜諫議大夫，仍固辭不受。鹹亨四年（673），高宗患疾，令其隨禦。上元元年（674），辭疾還山，高宗賜良馬，假鄱陽公主邑司以屬之。永淳元年卒，遺令薄葬，不藏明器，祭去牲牢。宋徽宗崇寧二年（1103）追封為妙應真人。
據傳孫思邈擅長陰陽、推步，妙解數術。終身不仕，隱於山林。親自采制藥物，為人治病。他搜集民間驗方、秘方，總結臨床經驗及前代醫學理論，為醫學和藥物學作出重要貢獻。後世尊其為“藥王”。他汲取《黃帝內經》關於臟腑的學說，在《千金要方》中第壹次完整地提出了以臟腑寒熱虛實為中心的雜病分類辨治法；在整理和研究張仲景《傷寒論》後，將傷寒歸為十二論，提出傷寒禁忌十五條，頗為後世傷寒學家所重視。
他搜集了東漢至唐以前許多醫論、醫方以及用藥、針灸等經驗，兼及服餌、食療、導引、按摩等養生方法，著《千金要方》三十卷，分二百三十二門，已接近現代臨床醫學的分類方法。全書合方、論五千三百首，集方廣泛，內容豐富，是我國唐代醫學發展中具有代表性的巨著，對後世醫學特別是方劑學的發展，有著明顯的影響和貢獻；並對日本、朝鮮醫學之發展也有積極的作用。《千金翼方》三十卷，屬其晚年作品，系對《千金要方》的全面補充。全書分壹百八十九門，合方、論、法二千九百余首，記載藥物八百多種，尤以治療傷寒、中風、雜病和瘡癰最見療效。
他堅持辨證施治的方法，認為人若善攝生，當可免於病。
只要“良醫導之以藥石，救之以針劑”，“體形有可愈之疾，天地有可消之災”。他重視醫德，不分“貴賤貧富，長幼妍蚩，怨親善友，華夷愚智”，皆壹視同仁。聲言“人命至重，有貴千金”。他極為重視婦幼保健，著《婦人方》三卷，《少小嬰孺方》二卷，置於《千金要方》之首。
孫思邈將道教內修理論和醫學、衛生學相結合，把養生學也作為醫療內容。認為人到暮年，體態特征和生理、病理都有變化。欲求長壽，須註意飲食起居等養生之道。他在《千金要方·養性序第壹》中特別強調老年人“唾不至遠，行不疾步，耳不極聽，目不極視，坐不久處，立不至疲，臥不至懻。先寒而衣，先熱而解。不欲極饑而食，食不可過飽；不欲極渴而飲，飲不欲過多”，並“兼之以導引、行氣”及“房中補益”之術。
他對人之衰老過程和表現，心理特征和變化，以及老年疾病、保健、醫療等都有全面的觀察和深透的分析。
認為老年人當從事諸如調氣、按摩、導引、行氣以及散步等適合老人特點的活動，從而豐富了道教內修的內容與方法，並對煉丹服食以求長生成仙的道教方術作了探索。
認為服食金丹而成仙是“神道懸邈，雲跡疏絕，徒望青天，莫知升舉”。
但他把煉丹作為制藥的手段，其目的在於救急濟危。他煉制的“太壹神精丹”，即“主客忤霍亂，腹病脹滿，屍餫e惡風，癲狂鬼語，盅毒妖魅，溫癥”。
史載其著作計三十余種，唯多亡佚。現存之《千金要方》和《千金翼方》各三十卷，系我國著名醫學著作。其他如《攝養論》《太清丹經要訣》《枕中方》等數種，尚有部分佚文可見。