孙思邈从小身体就很弱，常常得病，家里为给他治病，几乎倾家荡产，稍大一点的时候，他又目睹了隋文帝长安一带流行瘟疫的悲惨景象，给他留下很深印象，于是他立志学医，到二十岁时孙思邈就已经学识渊博，他结识了当时的太医令谢季卿及甄权、甄立言兄弟，并向他们虚心求教，医术更为精进。隋唐两代的几位皇帝先后邀请他去宫内做官，他都婉言拒绝，依然在民间行医，不过经常要被找到宫中来诊治皇宫贵人们的疾病。
唐仁宗时候，宫中一位才人生病，双目赤红，而且凸出，但是却什么也看不见，非常痛苦，宫内的御医认为是内火，所以用去火药医治，但是一直都没有什么效果。仁宗叫来孙思邈，孙思邈诊脉后认为这位才人不是单纯地热火，接着孙思邈又诊出才人肝脉弦滑，就询问才人的月事情况，宫内的御医说才人已经3个月没有月事了，应该是怀孕了。孙思邈却认为，才人的病是因为年轻气血旺盛，经血不通，肝火上行才导致目疾，并不是怀孕。孙思邈开了通经药，果然才人月事正常了，双目自然就复明了。
史上还有孙思邈“悬丝诊脉”的讲法，他曾经给唐太宗长孙皇后看病就是用此法。悬丝诊脉是指病人和医生分处两室，互不见面，医生通过搭在病人手腕上的一根丝线来诊脉。孙思邈给长孙皇后诊脉时，宫内的御医开始用丝线栓在冬青根、铜鼎足部和鹦鹉上来试探孙思邈，这种小伎俩一点也没有难道孙思邈，很快就被一一识破。孙思邈给皇后悬丝诊脉之后，认为皇后是滞产，开出一方催产药，使得皇后顺利分娩。
孙思邈医德高尚，治病救人不分贵贱，因此无论是皇上还是平民百姓都对他十分敬重。他提出“大医精成”，就是告诫医生，即使医术有多高明，治病的时候都要心平气静，排除杂念，不能心存私利，无论对什么样的病人都要一视同仁。孙思邈在晚年着述颇多。最着名的就是《千金要方》，又名《备急千金要方》，30卷，后又有《千金翼方》30卷。这些书中涉及范围非常广泛，而且由于孙思邈在民间行医，经验十分丰富，所以创造性地发明了很多民间治病的土方。比如用动物肝脏来治疗夜盲症，用葱叶作为尿闭症的导尿管进行导尿术等等都是非常实用的治疗方法。书中对药物的论述也非常多，孙思邈被誉为“药王”，他经常到深山中采药，对药物的了解非常透彻，在书中他指出，凡草石药皆须土地坚实、气味浓烈，不然治病不愈；凡麦门冬皆微润抽去心；栀子者，去皮；用蒲黄者，汤成下，对于草药如何处理才能达到最佳功效都提出了明确的说法。
孙思邈活了101岁才离开人世。他死后，尸体过了一个月，颜色容貌仍然跟活人一样没有变化，当人们把他尸体抬起来的时候，感觉非常轻，就像只有衣服一样，令人们十分惊诧。这位具有传奇色彩的药王，在死后又给人留下了传奇的一幕。
