助辽东经略孙承宗修筑城防。协同袁崇焕驻守宁远，对袁崇焕等帮助极大，袁崇焕誉为「识慧两精」。天启六年，努尔哈赤率军10余万攻宁远，明军城头共布置有十一门红夷大炮，威力惊人。传言努尔哈赤身受重伤，不久身亡，史称“宁远大捷”。崇祯三年一月，孙元化随孙承宗镇守山海关，三月加山东按察副使，五月兵部尚书梁廷栋破格荐用孙元化升登莱巡抚。后袁崇焕杀毛文龙，皮岛旧将哗变，登莱巡抚孙元化接收了皮岛的叛将孔有德、耿仲明、李九成等人。孔有德被任命为骑兵参将，耿仲明则被派往登州要塞。崇祯四年（1631年）八月，皇太极率清兵攻大凌