孙元化自杀未成，不向叛军妥协，孔有德念旧让他逃走。兵变发生后，朝中多言孙元化已反，三月孙元化、余大成等人被逮至京师锦衣卫镇抚司，为政敌余应桂、李梦辰、路振飞所构陷，诏狱中曾遭严刑拷问，首辅周延儒欲免元化死罪，求救于徐光启，终无法挽回。最后余大成、宋光兰、王征等遣戍，发配充军，崇祯五年七月二十三日（1632年9月7日）孙元化与张焘同被处死。汤若望曾在孙元化死前乔装成送炭工人入狱探望，为其最后告解。孙元化之死，代表西方军事专家派淡出明朝军队。着有《太西算要》、《几何体论》、《几何用法》、《西法神机》等。