1929年4月8日出生于辽宁省复县（今瓦房店市）老爷庙村，中国共产党党员，运载火箭与卫星技术专家，航天工程系统专家，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，国际欧亚科学院院士，中国航天科技集团公司高级技术顾问，探月工程领导小组高级顾问，探月工程首任总设计师。

1951年被派往苏联茹科夫斯基空军工程学院飞机发动机专业学习；1958年毕业于苏联茹科夫斯基空军工程学院飞机设计专业；1988年当选国际宇航科学院院士；1992年当选中国科学院院士；1996年当选国际欧亚科学院院士。

长期从事火箭、人造卫星研制工作。

中国第一个自行设计的中程导弹主任设计师，领导完成了导弹总体设计；任多颗人造卫星的技术总负责人、总设计师，主持完成了中国第一颗人造卫星、第一颗返回式卫星和第一颗静止轨道试验通信卫星的卫星总体设计，领导了卫星研制和发射的技术管理工作，在解决重大工程技术问题上发挥了指导和决策作用。

从事航天工作60年来，主持研制了45颗卫星；担任中国北斗导航系统第一代和第二代工程总设计师，实现了北斗卫星导航系统的组网和应用。在中国自主研制发射的100个航天飞行器中，由孙家栋担任技术负责人、总设计师或工程总师的就有34颗，占整个中国航天飞行器的三分之一。作为中国月球探测工程的主要倡导者之一，担任月球探测一期工程的总设计师，树立了中国航天史上新的里程碑。

获得两项国家科技进步奖特等奖；获得国家颁发的2009年度国家最高科学技术奖。

1999年被授予“两弹一星”功勋奖章；2018年被授予改革先锋称号；2019年被授予“共和国勋章”；以他名字命名的小行星第148081号——孙家栋星