1934年，孙令衔毕业于燕京大学化学系，获得理学硕士学位。孙令衔硕士毕业后留学美国。1937年，孙令衔获得美国康奈尔大学哲学博士学位。孙令衔学成回国，曾为上海女妇大学教授。后来执教于其母校东吴大学，先后担任化学系教授、化工系主任。1949年中华人民共和国成立后，孙令衔回母校燕京大学任教，担任燕京大学化工系主任。1952年，全国高校院系调整，燕京大学解散，院系并入北京大学等高校。孙令衔担任天津大学教授，天津大学图书馆馆长。