死罪，首辅周延儒欲免元化死罪，求救于徐光启，终无法挽回，最后余大成、宋光兰、王征等遣戍充军，孙元化与张焘同被处死，孙元化在北京西市斩首，年仅51岁。冤死一事被其子孙和斗写进了《国恤家冤录》一书，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”，汤若望曾在孙元化死前乔装成送炭工入狱探望，为其最后告解。

孙元化，短短一生，有两事影响历史：一、以炮术报效国家，近则有功辽防，远则有利西学传播；二、开教嘉定，两事均与教士东来、西学东渐相关。孙元化是天主教徒，圣名依纳爵，一生重视西方科学，为西洋火炮专家，孙元化之死，代表西方军事专家派淡出明朝军队。他的三个儿子：孙和鼎、孙和斗、孙和京。孙和斗，屡次谢绝父亲部属的举荐，不愿为官，潜心整理父亲的文稿，编成《水一方人集》。