因为战争而失学。1947年，进入哈尔滨工业大学预科班专修俄文，后来加入中国人民解放军空军。1951年9月进入苏联茹科夫斯基空军工程学院学习。1956年8月，孙家栋加入中国共产党。1958年4月回国后，到钱学森主持的国防部第五研究院从事导弹研究。历任国防部第五研究院和第一设计部副主任，第七机械工业部第一研究院第一设计部副主任、高级工程师，第七机械工业部第五研究院副院长、院长，航天工业部副部长、研究员，航空航天工业部副部长。长期从事导弹、卫星的设计和研制工作，是中国试验同步通信卫星的总设计师。在文化大革