袁崇焕死后，皇太极开始大规模攻击辽东明军，孙元化在关内关外隔绝的严峻形势下，团结辽东将士，借助红夷大炮，使得花大心血筑造的八城、二十四堡屹立不动。
后来孙元化大力主张以广宁城为抗满洲女真的前沿阵地，然后逐步修堡垒，一步步向前推进。朝鲜嫌弃花费过大，时间过久而未采纳其正确主张。
崇祯三年(1630年)一月，孙元化跟随孙承宗镇守天下第一关--山海关，三月成为山东按察副使，五月兵部尚书梁廷栋怜惜其大才，破格向朝廷荐用孙元化擢升登、莱二州巡抚。
孙元化在登州大力网罗精通西方科学文化之士，大胆募用西方人，组建了一支由27名西方人组成的外籍军团，使登州成为"东陲之西学堡垒"。
