1929年4月8日，孙家栋出生于瓦房店万家岭镇老爷庙村。
1942年，孙家栋考入哈尔滨第一高等学校土木系。
1948年，考入哈尔滨工业大学预科学习俄语，后转入汽车系。新中国开始组建空军后，孙家栋作为急需的俄语翻译人才被选送入伍。
1951年，孙家栋和另外29名军人被派往苏联茹科夫斯基工程学院飞机发动机专业学习。
1958年，毕业并获得全苏斯大林金质奖章，回国后被分配到国防部第五研究院一分院从事导弹原创工作。
1960年，担任型号总体主任设计师。
1967年，孙家栋担任中国第一颗人造地球卫星总体设计负责人开始，孙家栋又先后担任了中国第一颗遥感探测卫星、第一颗返回式卫星的技术负责人、总设计师，他还是中国通信卫星、气象卫星、地球资源探测卫星、北斗导航卫星等第二代应用卫星的工程总设计师。在中国自主研制发射的100个航天飞行器中，由孙家栋担任技术负责人、总设计师或工程总师的就有34颗，占整个中国航天飞行器的三分之一。被业界公认为中国的“卫星之父”。在研制试验过程中，深入实际，艰苦奋斗，带领科技人员攻克了多项技术关键，解决了一系列技术问题。他为中国东方红一号卫星发射成功作出了重要贡献。
1980年，获七机部劳动模范称号。
1984年，荣立航天部一等功。
1985年，获两项国家科技进步奖特等奖。
1989年，孙家栋担任中国火箭进入国际市场谈判代表团团长，参加中美两国政府间的国际商业发射服务协议谈判。
1992年，当选中科院院士。
1996年，当选国际欧亚科学院院士。
1999年，被授予两弹一星功勋奖章。
2003年，任中国探月工程总设计师。
2009年2月，受广西壮族自治区人民政府聘请出任桂林电子科技大学名誉校长。
2010年1月11日，在国家科学技术奖励大会上，获得2009年度国家最高科学技术奖。
2011年9月2日，被聘为北华航天工业学院名誉校长。2018年10月，辟缔思（PDC）未来学校在北京正式成立。该校由呼家楼中心小学倡导成立，坐落于朝阳区酷车小镇。北斗之父孙家栋受聘担任学校名誉校长。
孙家栋是中国人造卫星技术和深空探测技术的开创者之一，为中国突破卫星基本技术、卫星返回技术、地球静止轨道卫星发射和定点技术、导航卫星组网技术和深空探测基本技术作出了重大贡献；为创建和发展中国人造卫星总体技术、卫星航天工程管理技术和深空探测技术，作出了系统的、创造性的成就和贡献。孙家栋是中国月球探测的主要倡导者之一，提出了2020年前中国月球探测工程分三个阶段的实施方案，明确了中国月球探测的发展方向、目标和路线图。他担任月球探测一期工程的总设计师，确定了工程目标和工程总体方案，对工程各大系统的技术途径作出重要决策。
孙家栋是北斗卫星导航工程、风云二号静止气象卫星航天工程的总设计师，继续活跃在中国航天技术的前沿领域。
2009年4月15日0时16分，孙家栋在西昌卫星发射中心参加指挥的北斗导航定位卫星发射任务又一次获得圆满成功。这是中国自主研制发射的第100个航天飞行器，这之中孙家栋担任技术负责人、总师或工程总师的就有34颗，在他领导下所发射的卫星奇迹般地占整个中国航天飞行器的三分之一。孙家栋亲历、见证、参加、领导了中国航天的全部过程。
荣誉奖项
▪ 2018 风云气象卫星事业终身成就奖 （获奖）
▪ 2018 100名改革开放杰出贡献对象 （获奖）
▪ 2017-02-08 感动中国2016年度人物 （获奖）
▪ 2011-01-18 终身成就奖 （获奖）
▪ 2011-01-11 入围2010CCTV中国经济年度人物评选候选人名单 （提名）
▪ 2010-07-01 全国优秀共产党员 （获奖）
▪ 2010-01-11 年度国家最高科学技术奖 （获奖）
▪ 1999 两弹一星功勋奖 （获奖）
▪ 1985 国家科技进步奖特等奖 （获奖）
孙家栋是在中国航天事业发展历程中成长起来的优秀科学家，也是中国航天事业的见证人。自第一颗人造地球卫星首战告捷起，到绕月探测工程的圆满成功孙家栋几十年来为中国航天的发展作出了突出贡献，共和国不会忘记，人民不会忘记。我为您取得的成就感到骄傲。（钱学森评）
在中国的航天领域，孙家栋是很有权威性的。孙家栋几乎把自己的一生都奉献给了中国的航天事业。（人民网、欧阳自远评）
他为人正直，顾全大局，善于综合，敢于决策。他十分重视人才培养，通过航天工程实践，培养了一批优秀的航天科技人才。他的业绩受到我国航天界广大科技人员的敬佩和赞誉。（新华网评）
少年勤学，青年担纲，你是国家的栋梁。导弹、卫星、嫦娥、北斗、满天星斗璀璨，写下你的传奇。年过古稀未伏枥，犹向苍穹寄深情。（感动中国颁奖）
