孫思邈是雍州人。少時七歲便能上學，每天能讀書約一千字。
成年之後，喜歡談論莊老百家學説。後周的時候，孫思邈因為後周王室發生了許多的變故，就隱居到太白山裏躲避戰亂。
隋文帝的時候，朝廷曾請他做國子博士。但他稱病不起以此不出仕。他曾對身邊親近的人説：“再過五十年，當有一聖人出世，到那時我才能幫助世人消災去厄、治病救人。”
唐太宗即位後，因聽聞他的名聲，召到京城。看到本人後，慨嘆他的模樣很年輕，頗有鶴髮童顏的模樣。
唐太宗對他説：“朕因見到先生的容顏，方知有道術的人，真應受到尊重。看來羨門、廣成子等神人確實不是虛傳。”
太宗要授給他爵位請他當官，他卻堅決不肯接受。堅持作為布衣百姓治病救人，太宗也不好強留。孫思邈就在這個時段，救治了好多病人，但沒多久就又隱居起來。
當時的名士，像孟詵、盧照鄰等，都用弟子對待老師的禮節對待他。他對他們説自己生於開皇辛酉年，如今已經九十三歲了。但是坊間傳聞都説他已經有幾百歲了。
另外，有時他和盧照鄰等人一起談論起後周、後齊期間的事來，説得清清楚楚，就像親眼見過。以此驗證，他絕不止是個一百歲的人了。然而他的耳不聾，眼不花，看上去神采奕奕。
盧照鄰曾經問孫思邈：“名醫治病，它的道理如何呢？”
孫思邈回答説：“我聽説天有四時變化，五行運轉，寒暑交替。氣息運轉，和則下雨；怒則颳風；凝結則下霜雪；張揚則現虹霓。這是天的規律。
人有四肢五臟，有醒有睡，有呼有吸，循環往復。氣息流動，就形成人體的血氣循環；氣息外現，就成為人的氣色；氣息發聲，就有了人的聲音。這是人的規律。
等到失去這種正常現象，熱氣上升則生熱；不然就生寒；氣息凝結就成為腫瘤；凹陷就成為癰疽；氣息奔躍則成喘息、睏乏；竭盡則成焦枯。病情呈現在表面，病變卻在形體內。”
太子詹事盧齊卿小時候向孫思邈請教他以後會怎麼樣，孫思邈説：“你今後五十年，地位可達到一方諸侯之長，我的孫子應當是你屬下的官吏，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説這話的時候，孫溥還沒有出生，而預先知道了他的事情。
如此種種，凡是各種奇異的事情，在孫思邈那裏大多顯得如此平常。
永淳元年，孫思邈死去，死前留下話要薄葬，不準在墓中埋藏殉葬品，不準用活着的牛羊祭奠。停屍後經過一個多月，起棺時，人們發現他的臉色沒變和活着時一模一樣。
他曾親自注釋了《老子》、《莊子》，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，有人發現他在終南山出現，與宣律師相來往。當時天大旱，有一個西域僧人請求在昆明池築壇求雨，皇上下詔讓有關部門準備香燈。一共七天，水縮下去幾尺。忽然有一位老人夜裏到宣律師那裏求救，説：“我是昆明池裏的龍，很久沒下雨，並不是因為我的原因。而是一個胡僧要用我的腦子做藥，欺騙天子説求雨，我的命危在旦夕，請和尚用法力救護於我。”
宣公推辭説：“貧僧操守戒律罷了，你可以去向孫思邈老先生求助。”老人於是就來到孫思邈那裏。孫思邈説：“我知道昆明池龍宮裏有神仙藥方三十個，如果能讓我看看，我就救你。”
老人説：“這些藥方上帝不準隨便外傳，現在事態緊急，我絲毫無所吝嗇！”過了一會兒，老人捧着藥方來了。孫思邈説：“你天明後回去，不用擔心胡僧。”
此後池水忽然暴漲，幾天便漫上岸來，胡僧羞怒而死。
曾經有一個神仙從天而降，對孫思邈説：“你所著的《千金方》，濟人的功效也很廣了。而用生物做藥，殘害的生物也太多了，你一定會成為一個尸解的神仙，不能白日昇天肉體成仙了。從前，一位真人桓闓告訴陶貞白，事情也是這樣，本來你是知道的。”此後孫思邈採用草木做藥，以代替虻蟲、水蛭等動物的性命，作《千金方翼》三十篇，每篇有《龍宮仙方》一個行世。
唐玄宗躲避安史之亂，向西到達蜀地之後，夢見一位老漢鬚髮皆白，穿黃色衣服，再三在面前參拜，然後奏道：“我是孫思邈，在峨嵋山結廬居住多年了。現在聽説皇上的鑾駕來到成都，我所以等候在這裏拜謁。”
唐玄宗説：“我熟悉你的名字很久了，現在你不怕道路遙遠來到這裏，也是有所求嗎？”孫思邈説：“我隱居在雲泉之間，喜歡吃金石之藥，聽説這個地方出雄黃，希望賜給我八十兩。如果能滿足我的要求，請派使者到峨嵋山來。”
唐玄宗答應了，心大跳而醒，立即就令侍臣陳忠盛帶八十兩雄黃，到峨嵋山去賜給孫思邈。陳忠盛奉詔之後來到峨嵋山，走到屏風嶺，遇見一位容貌很俊逸古樸的老頭，穿黃色衣服立在嶺下。
老頭對陳忠盛説：“你莫非是天子的使者嗎？我就是孫思邈。”陳忠盛説：“皇上讓我把雄黃賜給你。”那老頭躬身接受，然後説：“我承蒙天子賜給我雄黃，現在有表章致謝，但這裏是山野之居，沒有筆墨，請您執筆轉抄送進宮中。”
陳忠盛立即讓官吏拿來筆墨。老頭指着一塊石頭説：“表章在那石頭上，您可以抄錄下來。”陳忠盛看那石塊，果然有一百多個紅字，確實是表章。於是就把那些字抄錄下來。寫完之後，再看老頭和石頭，全都不見了。
陳忠盛把這事詳細地奏明唐玄宗。唐玄宗於是問陳忠盛，老頭的相貌與夢中的果然一樣，因此更感驚奇。從此，孫思邈有時候隱沒，有時候出現。
鹹通末年，山下的一家百姓，有一個十幾歲的男孩，不吃葷腥，他父母認為他喜歡善行，讓他到白水僧院做了童子。忽然來了一位遊客，自稱孫處士，在院中游了一週之後，從袖中取出一包湯藥碎末交給童子説：“為我像烹茶那樣煎好。”
煎好之後，處士飲了一些，把剩下的湯汁給了童子。童子覺得湯汁的味道極香，希望再給他一碗。處士説：“這藥就是為你拿來的。”就把方寸大的一匙藥沫再讓他煎着吃。等出門一看，處士已離去了。吃藥活動童子這時也乘空飛起來。院裏的其餘眾人非常驚異，再一看那煎藥的鍋子，此時已變成金的了。
在這以後就很少有見到孫思邈的人了。
有這些關於他的傳説出現，其實無外乎是因為藥王孫思邈一生救病治人無數，又不貪圖錢財，對病人一視同仁。人們都懷念這樣的有醫德的好大夫，因此從內心都不願意他去世，也是由衷的認為這樣的道德高深的人一定會成仙以繼續救人，所以才會有各種各樣關於他的傳説在後世出現。
而他的經典之作《千金方》更是在世界醫學史上留下了濃墨重彩的一筆。