西魏大统七年（公元541年），孙思邈出生于京兆华原（位于今陕西省铜川市）一贫困农家。年幼时，孙思邈体弱多病，使得本就不富裕的家庭雪上加霜，后来家里人为了给他治病买药，更是罄尽了家产。“艰难困苦，玉汝于成”，激发了孙思邈从小立志学医的决心。

孙思邈年少时天资聪颖，好读书，七岁时，已经能背诵上千字的文章。据《旧唐书》载，西魏大臣独孤信对孙思邈十分器重，称其为“圣童”。20岁左右时，一心钻研医道的孙思邈已经有所领悟，并开始为乡邻治病。

据说有一次，村里的一个中年妇人抱着小孩急匆匆地找孙思邈看病。孩子被抱来时，呕吐不止并捂着腹部直喊疼。孙思邈诊断这孩子的病根是受了寒。这时他看到旁边有一堆檀香木的锯末，想到檀香具有理气止痛的功效，便让孩子的父亲以生姜为药引子，煎服檀香木锯末。夫妇俩半信半疑，但还是照做了。孩子服用后，只过了片刻工夫，便止住了呕吐和腹痛。从此，孙思邈在乡里声名大噪，周围有老百姓生病了，都来找他。

北周静帝时，杨坚执掌朝政，召孙思邈任国子博士，孙思邈却无意仕途功名，认为做高官太过事务缠身，还不能自由随意，故坚决不接受，一心致力于医学。隋开皇元年（公元581年），见国事多有变化迹象，孙思邈更是直接隐遁在了太白山中。

隐居期间，他一方面下功夫钻研医学著作，另一方面亲自采集草药，研究药物学。相传，孙思邈有次在山林中采药，正好碰见一只獴（哺乳动物，蛇之天敌）和一条毒蛇在相互撕咬恶斗，经过长时间的角斗搏杀后，獴虽然最终咬死了蛇，但也被凶猛的毒蛇所伤。孙思邈以为獴会逐渐中毒而亡，却只见獴在附近寻到一种野草，吃完后，不过一会儿，只见它在草地上打了几个滚儿，又活蹦乱跳了。孙思邈顿时来了兴致，将这种不知名的药草带了回去，经过一番仔细研究和验证后发现，原来这是一种解毒性极佳，能专门治疗蛇咬伤的特效药，即“蛇根草”。

孙思邈隐居太白山期间，认真研读了《黄帝内经》《伤寒杂病论》《神农本草经》等古代医书，同时又广泛搜集民间流传的药方，还热心为人治病，积累了许多临床经验，为日后撰写《千金要方》和《千金翼方》打下了坚实基础。

大唐贞观年间，唐太宗李世民的长孙皇后怀孕已十多个月还不能分娩，且卧床不起。虽经不少太医医治，但皇后的病情却一直不见好转。大臣徐茂功便将孙思邈推荐给了唐太宗。唐太宗立刻派遣使臣星夜直奔华原县，将孙思邈召进了皇宫。当唐太宗见到已经七十多岁的孙思邈竟还能容貌气色、身形步态皆如少年，觉得十分惊异，不禁感叹道：“所以说，有道之人真是值得人尊敬呀！像羡门、广成子这样的人物原来世上竟是有的，怎么会是虚言呢？”于是唐太宗便十分放心地让孙思邈去医治长孙皇后了。

当时，医生给宫内女性看病，大多不能近身，只能根据旁人的口述来推断病理。于是孙思邈一边叫来皇后身边的宫娥细问病情，一边要来太医以往所记录的病册和使用过的处方。然后，他取出一根红线，叫宫女把线系在皇后右手腕上，一端从竹帘中拉出来，孙思邈捏着线的一端，便在皇后的房外开始了著名的“引线诊脉”。

没多大工夫，孙思邈便诊完了皇后的脉，然后，吩咐宫女将皇后左手扶近竹帘，孙思邈看准了穴位猛扎了一针，皇后疼痛，浑身一颤。不一会儿，只听得有婴儿呱呱坠地之声。唐太宗大喜，事后欲留孙思邈在朝执掌太医院，但他不愿意在朝为官，因为他早就立志漂泊四方为百姓施药治病。于是他向太宗陈述了自己的宏愿，并婉绝了太宗赐给的官位。太宗不好强求挽留，便御赐孙思邈“冲天冠”一顶、“赫黄袍”一件、金牌一面、良马一匹和千两黄金、绸缎百尺。但孙思邈再次拒绝了太宗的赏赐。他不慕名利、视富贵如浮云的人格，让唐太宗十分欣赏，后来唐太宗还亲临华原县五台山去拜访孙思邈，并赐颂词一首。

唐高宗显庆四年（公元659年），孙思邈又被接到帝都，这次他虽留住在长安，但仍不愿当官。不过碍于情面，孙思邈就推荐了自己的徒弟刘神威出仕。高宗闻后欣然应允，便立即安排刘神威进了太医院。孙思邈活了一百多岁（具体年龄有争议），据说，他在弥留之际曾留下遗嘱：要薄葬，不要焚烧那些纸扎的阴间器物，祭祀时更不得宰杀牲畜。宋徽宗时，孙思邈被敕封为“妙应真人”，明清时期，更是被尊称为“药王”。