天启二年(1622年)，辽东地区战火重燃，孙元化向朝廷上呈《备京》、《防边》两部奏文，详细讨论了边防的一些策略，受到朝廷某些有识之士的重视。
比如天启帝的老师兼兵部尚书孙承宗出任蓟辽经略，就重用孙元化，采用孙元化筑台制炮的战略主张，还把修固宁远城的重任交给孙元化。后来通过侯震旸保荐从军辽东地区，协同袁崇焕驻守宁远城，成为袁崇焕的左膀右臂，对袁崇焕的帮助极大，也被袁崇焕誉为"识慧两精"。
次年，孙元化帮助袁崇焕守宁远城。
天启六年(1626年)，努尔哈赤率6万满洲女真军，号称20万大军猛攻宁远城，孙元化在宁远城上根据西方炮楼进行设计并布置有11门大炮，威力巨大，努尔哈赤也被炮击伤而退兵，史称"宁远大捷"。
