后来，孙元化以随军从事的身份前往辽东，受到袁崇焕的重用，购置西洋火炮。朝廷资金短缺，孙元化和他的老师徐光启不但带头捐资，而且还到处奔走搞募捐，又选派他的朋友、副总兵张焘南下澳门向葡萄牙人购置了十一门红衣大炮，其中两门威力最大、被称为佛朗机的西洋火炮，还是天主教友李芝燥等捐赠。

孙元化亲自把这十一门火炮督运到辽东的宁远后，安置在由他规划的炮台上。这些炮台，都是他运用了丰富的数学知识，经过精确计算设置，他还训练出一批优秀的炮手，为袁崇焕取得宁远大捷奠定了基础。

尽管孙元化没有直接参战，但在战后袁崇焕没有忘记为他请功，他被官升一级，并且得赏银十二两。那门威力最大的佛朗机，也受到敕封，被封为“神威大将军”，受领锦袍一袭。

而且，孙元化关于现代化火炮的建议得到了重视，大明还在京城郊区办起了一座规模不大的新式火炮铸造厂。为此，孙元化还专门邀请了精通火炮制作的传教士汤若望，作为该厂的顾问，他和汤若望成了无话不谈的挚友。

崇祯皇帝铲除了魏忠贤的阉党，重新起用了辞职回家的袁崇焕，孙元化也得到重用，升至登莱巡抚。登莱地区的战略地位，对大明异常重要，它是紧靠渤海湾、毗邻京畿的要地，海湾对面就是后金的辽东。

孙元化到任后，立即把有限的资金用于装备的改造上，进口和自制了不少新式火炮，还邀请了葡萄牙籍的教练训练部队。他还具备战略眼光，增添了不少配备西洋火炮的新式战船。他曾对祖大寿说过，如果能在登莱训练一支装备火炮的新式舰队，时机成熟时，配合关宁铁骑，从海上对辽东予以夹击，就可以一举平定后金。

可惜的是，孙元化的宏伟规划和强军之梦，很快就被击得粉碎——因为袁崇焕错误斩杀了毛文龙，孔有德等人叛变，登州沦陷，孙元化被俘后放归，被政敌余应桂、李梦辰、路振飞、温体仁等人陷害，被抓到京师镇抚司，狱中遭严刑。至此，孙元化有口难辩，被崇祯以祸乱之首判处死罪，被冤杀于崇祯五年，即1632年，在北京西市斩首。

那一年的一个深夜，北平的雪下个不停，一位老外化装成送炭工人，买通了看守，走进了大明北镇抚司阴森晦暗的监狱。他就是孙元化的朋友，曾和他一起在京城炮厂制造过西洋火炮的传教士汤若望。

因为孙元化生前加入了天主教，汤若望给孙元化做了最后的弥撒。在这最后时刻，孙元化竟然请汤若望转告三个儿子，不要因为他被冤杀而抱怨朝廷，不要当官，把他的遗作整理出来传于后人。

孙元化的三个儿子孙和鼎、孙和斗、孙和京照办了。在孙元化死后，他的遗体被儿子和部下迎葬于嘉定南门外的荒圩中，坟前立有一方石碑，上书“佥都御史孙元化墓”。此后，孙元化的三个儿子来到京城，把全部精力投入在整理父亲的遗作上，自己也不知不觉间变成了西洋火炮专家。