1942年，考入哈尔滨第一高等学校土木系，中途因二战“失学”。
1948年，考入哈尔滨工业大学预科学习俄语，后转入汽车系。 [26]
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。 [2]
1957年，毛泽东访问苏联，在莫斯科大学接见了中国留学生，当时孙家栋在现场聆听了讲话。 [14]
1958年，毕业于苏联茹科夫斯基空军工程学院飞机设计专业；历任七机部五院（现中国空间技术研究院）副院长、院长，七机部总工程师，航天部副部长，航空航天部副部长。 [3]
1967年，调入中国空间技术研究院，历任院总体设计部副主任、主任、副院长、院长，七机部总工程师，航天部科技委副主任，航天工业部副部长，航空航天工业部副部长，航空航天工业部科技委主任。 [1]
1978年1月起，历任七机部五院副院长、院长，七机部总工程师，航天工业部科技委副主任。 [4]
1985年，任航天部科技委副主任、总工程师、副部长；10月起，历任航天工业部副部长，航空航天工业部副部长、中国航天工业总公司科技委主任。 [4-5]
1989年，担任中国火箭进入国际市场谈判代表团团长，参加中国和美国两国政府间的国际商业发射服务协议谈判。
1993年，任中国航天工业总公司科技委主任。 [5]
2004年，任中国探月工程总设计师。 [12]
2009年10月，作为“两弹一星”功勋科学家的代表，在中华人民共和国60华诞的庆典中登上了天安门城楼，与党和国家领导人一起，共同观看盛大的阅兵仪式和群众游行。 [19]
2019年8月，作为中华人民共和国成立以来创新创业创优优秀人才代表，受党中央国务院邀请到北戴河休假。 [21]
2020年7月31日，坐轮椅出席北斗三号全球卫星导航系统开通仪式。 [9]
2021年2月22日上午，作为探月工程嫦娥五号任务参研参试人员代表在人民大会堂接受会见。 [14]
2021年12月26日，入选《2021中国品牌人物500强榜单》。
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