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量研究，撰写了《几何体论》《泰西筭要》等专著。在这期间，孙元化也加入了天主教，不过他竭力主张中国的天主教必须符合明朝的国情。
孙元化主张学以致用，从利玛窦那里得知，中国的火器已经落后于西方的“佛朗机”和“雷飞炮”后，欣喜地以为解除边患的药方——用西洋火器装备军队。中国在宋代就有了火炮，然而直到明代，还停留在筒管里填塞火药，凭操纵者的经验和目测发射，威力虽然胜过弓箭，可在灵活性和准确性上，还不如弓箭。于是，孙元化便对西洋火炮进行了精心的研究，写出了《西洋神机》的专业著作，他运用所掌握的数学知识，第一次提出了统规（测量火炮仰角度的仪器）使用方法，以及药包的制作方法。同时，还配合徐光启翻译了“矩度”——测量距离的方式。这一切，都让孙元化成为独一无二的西洋火炮专家。只是这时大明的冶金技术太落后，以至他按西洋技术制造过几次火炮，都没成功。
这一期间，后金在努尔哈赤的统率下日渐强大，明朝多次出兵征讨，总是损兵折将，大败而归，以至后金不断南进，严重威胁京城的安全。面对如此严峻的局面，孙元化颇有远见地提出了在宁远筑城，配备重火器，以辽人守辽土的战略，这和袁崇焕的见解不谋而合。
不久，孙元化受到破格提拔，以随军从事的身份前往辽东，辅佐袁崇焕，他和袁崇焕当务之急是购置西洋火炮，可是朝廷资金短缺。孙元化和他的老师徐光启，不但带头捐资，而且还到处奔走搞募捐，又选派他的朋友、副总兵张焘南下澳门，向葡萄牙人购置了十一门红衣大炮，其中两门威力最大、被称为佛朗机的西洋火炮，还是天主教友李芝燥等捐赠。孙元化亲自把这十一门火炮督运到辽东的宁远后，安置在由他规划的炮台上。这些炮台，都是他运用了丰富的数学知识，经过精确计算设置。他还在火炮下装上由他设计的灵活转动支架，增加了火炮的覆盖范围。同时，他还训练出一批优秀的炮手，为宁远大捷奠定了基础。
尽管孙元化没有直接参战，但在战后袁崇焕没有忘记为他请功，他被官升一级，并且得到十二两银子赏金。那门威力最大的佛朗机，也受到敕封，被封为“神威大将军”，受领锦袍一袭。
而且，孙元化关于现代化火炮的建议得到了重视，大明在京城办起了一座规模不大的新式火炮铸造厂。为此，孙元化还专门邀请了精通火炮制作的传教士汤若望，作为该厂的顾问。由此，他和汤若望成了无话不谈的挚友。他们的精诚合作，使得明军的火炮制作有了质的飞跃。
自宁远大捷后，孙元化深得重臣孙承宗的赏识，不断受到提拔。而在这一期间，他的老师徐光启却被下放去主持屯垦，徐光启是东林党的同情者，但对东林党人那种偏执过激、拉帮结派的行为也不赞成，所以一直和东林党人保持距离。魏忠贤误以为他受到东林党人的排挤，予以拉拢，给他加官晋爵。但他不肯同流合污，这就激怒了阉党，遭到下放。
这一时期，孙元化在孙承宗的重用下，面对骁勇的后金铁骑，创造了步炮协同的战术，充分发挥火炮的优势，取得了驰救开平、收复建昌的重大胜利，他也因功升至兵部主事。
崇祯皇帝继位，很想当个中兴之主，果断地铲除了魏忠贤的阉党，大量起用东林党人入朝为官，同时也重新起用了辞职回家的袁崇焕；孙元化也得到重用，升至登莱巡抚。
登莱地区的战略地位，对大明异常重要，它是紧靠渤海湾、毗邻京畿的要地，海湾对面就是后金的辽东。谁控制了这块要地，谁就能控制京城。所以这儿一直驻有重兵。孙元化到任后，立即把有限的资金用于装备的改造上，进口和自制了不少新式火炮。同时，他还邀请了葡萄牙籍的教练训练他的部队。他还具备战略眼光，增添了不少配备西洋火炮的新式战船。他在驻守山海关时，曾对祖大寿说过，如果能在登莱训练一支装备火炮的新式舰队，时机成熟时，配合关东铁骑，从海上对辽东予以夹击，就可以一举平定后金。然而，孙元化的宏伟规划和强军之梦，很快就被击得粉碎，以悲剧收场——因为袁崇焕错误斩杀了毛文龙。
袁崇焕无疑是明朝优秀的统帅，练就了一支军纪严明、能征善战的辽东野战部队，此举证明了他的治军之才。但他致命的弱点，是胆子过大，急于求成。
袁崇焕为了表达先皇知遇之恩，提出了五年复辽的不现实的激进计划。崇祯皇帝和袁崇焕进行了一次彻夜长谈，赐给他先斩后奏的尚方宝剑。袁崇焕就是用这把尚方宝剑，杀掉了尾大不掉的皮岛守将、平辽总兵毛文龙。
毛文龙年轻时从军关东，因为骁勇善战而受到统帅王化贞的赏识，提拔为“游击”。王化贞兵败努尔哈赤，全军覆没，毛文龙带着二百多人败逃到鸭绿江口的皮岛，很快以帮会手段把部队扩展到两万多人。他经常对后金进行骚扰，甚至一度从后金手里收复了辽东的军事重镇镇江。努尔哈赤和皇太极都对于善打游击的毛文龙束手无策。毛文龙以此成了独霸一方的土皇帝，这支部队也成了他的私人武装，根本不听明朝调遣。
袁崇焕镇守宁远遭到围困时，毛文龙非但不肯出兵增援，而且趁机走私，虚报战功，骗取军饷。袁崇焕有自己的考虑，按收复辽东的计划，他要把皮岛的守军完全掌控在自己手中，形成对后金的夹击之势，极其果断地私杀了毛文龙。
袁崇焕杀了毛文龙后，却并没能控制皮岛。他不了解毛文龙和部下的关系，他们绝非上下级那么简单。在毛文龙的部下看来，袁崇焕杀的不是一个犯错的上级，而是为他们着想的干爹和大哥。虽说袁崇焕杀了毛文龙后，按时发给军饷，但袁崇焕切断了走私的途径，那点军饷岂能和暴利的走私相比？所以没过多久，皮岛就发生哗变，一部分人叛逃后金，一部分人离岛流窜成了海盗，以致解除了皇太极的后顾之忧。后来皇太极又使出离间计，袁崇焕最终被先帝冤杀。
朱慈烺说：“袁崇焕冤死，朕也听说了。为何丞相不为袁崇焕平反，而急于要为孙元化平反？后来，孙元化怎么样了？”
吴应熊说：“为孙元化平反，比为袁崇焕平反要重要得多，且听臣慢慢道来。袁崇焕是将才，孙元化则是专业人才，十分难得，一个专才运用得当，能抵得上十个将才。”