崇祯四年（1631年）八月，皇太极率清兵攻大凌河（今辽宁锦县），祖大寿围于城内，粮尽援绝。

孙元化奉命派兵赴援，孙元化抚登时，辽人避战乱居山东者十万余人，孙认为辽人可用，重用了一批辽将，今要赴援辽东，急令孔有德以八百骑赶赴前线增援。

然登州辽东兵与山东兵素不和，孔有德抵达吴桥时，因遇大雨春雪，部队给养不足，士兵抢劫哗变。

孔有德受毛文龙旧部李九成之子李应元的煽动，在吴桥发动叛乱，史称“吴桥兵变”。

后孔有德倒戈杀回山东半岛，连陷临邑、陵县、商河、青城诸城，率兵直趋登州。

孙元化急令张焘率辽兵守登州城外，与总兵张可大发兵抗击，两路成合击之势。然张焘与孔有德旧识，张焘的兵卒随即投入孔有德行列，而张可大部大败。

与孔有德是旧交的登州中军耿仲明、陈光福等，举火开门响应，崇祯五年（1632年）一月，登州失陷。

总兵张可大自杀，孙元化战败自刎未遂，为叛军所俘。

囹圄中的孙元化对孔有德等叛将晓以利害，明以大义，孔有德回心转意，请求招安。朝廷也同意孙元化带罪招抚，但巡按王道纯藏匿了诏书，叛军长时间求招安不得，复乱。

孙元化又说服叛军，让他回朝陈明真相。孙元化返京之际，王道纯袭击叛军，乱事扩大。兵变发生后，朝中多言孙元化已反。

三月，孙元化、余大成等人被逮至京师镇抚司，为政敌余应桂、李梦辰、路振飞所陷害，狱中曾遭严刑。

至此，孙元化有口难辩，被崇祯以祸乱之首判处死罪。

首辅周延儒欲免元化死罪，求救于徐光启，终无法挽回。

最后，余大成、宋光兰、王征等遣戍充军，崇祯五年七月二十三日（1632年9月7日），孙元化与张焘同被处死。孙元化在北京西市斩首。

孙元化是明末最出色的火炮专家，“所善西洋炮法，盖得之徐光启云。”

他还著有华夏第一部炮学专著《西洋神机》。

他一生以炮术报效国家，1621年条呈《备京》、《防边》二策，向辽省经略王在晋献策“筑台制炮”，与恩师徐光启主张一脉相承，可惜王在晋不用。

1622年，孙承宗经略蓟辽，“筑台制炮，一如元化言。”

孙元化的才能得以施展，参与宁远城的构建与防守。

1626年，努尔哈赤攻宁远