孫思邈不僅精於內科，而且擅長婦科、兒科、外科、五官科。在中醫學上首次主張治療婦女兒童疾病要單獨設科，並在著作中首先論述婦、兒醫學，聲明是“崇本之義”。他非常重視婦幼保健，著《婦人方》三卷，《少小嬰孺方》二卷，置於《千金要方》之首。在他的影響之下，後代醫學工作者普遍重視研究婦、兒科疾病的治療技術。
孫思邈非常重視預防疾病，講求預防爲先的觀點，堅持辨證施治的方法，認爲人若善攝生，當可免於病。只要“良醫導之以藥石，救之以針劑”，“體形有可愈之疾，天地有可消之災”。並提出“存不忘亡，安不忘危”，強調“每日必須調氣、補瀉、按摩、導引爲佳，勿以康健便爲常然。”他提倡講求個人衛生，重視運動保健，提出了食療、藥療、養生、養性、保健相結合的防病治病主張。
孫思邈很重視研究常見病和多發病。如山區人民由於食物中缺碘，易患甲狀腺腫大病{俗稱粗脖子}，他認爲這種病是由於山中的水質不潔淨引起的，所以就用海藻等海生植物和動物的甲狀腺來治療，具有較好的效果。他對腳氣病作了詳細的研究，首先提出用谷白皮煮粥常服可以預防，所選擇的治療腳氣病的藥物含有豐富的維生素b1，效果很好。在長期的實踐中，孫思邈還總結出治療痢疾、絛蟲、夜盲等病癥的特效藥方。在太白山中居住時，孫思邈親自採集藥材，研究藥物性能。他認爲適時採藥極爲重要，早則藥勢未成，晚則藥勢已竭，依據豐富的藥學經驗，確定出233種中藥材適當採集的時節。
孫思邈對針灸術也頗有研究，著有《明堂鍼灸圖》，以鍼灸術作爲藥物的輔助療法。他認爲“良醫之道，必先診脈處方，次即鍼灸，內外相扶，病必當愈。”積極主張對疾病實行綜合治療。
在研究醫學的過程中，孫思邈把硫磺、硝石、木炭混合製成粉，用來發火煉丹，這是中國現存文獻中最早的關於huǒ yào de pèi fāng。他在所著《丹經內伏硫黃法》一文中，記述了伏火硫黃法的製作方法。
孫思邈還對良醫的診病方法做了總結：“膽欲大而心欲小，智欲圓而行欲方。“膽大”是要有如赳赳武夫般自信而有氣質；“心小”是要如同在薄冰上行走，在峭壁邊落足一樣時時小心謹慎；“智圓”是指遇事圓活機變，不得拘泥，須有制敵機先的能力；“行方”是指不貪名、不奪利，心中自有坦蕩天地。”
在臨牀實踐中，孫思邈總結出了許多寶貴的經驗，如“阿是穴”和“以痛爲腧”的取穴法，用動物的肝臟治療夜盲癥，用羊的甲狀腺治療地方性甲狀腺腫，用牛乳、豆類、穀皮等防治腳氣病；對於孕婦，提出住處要清潔安靜，心情要保持舒暢，臨產時不要緊張；對於嬰兒，提出餵奶要定時定量，平時要多見風日，衣服不可穿得過多等等。這些主張，時至今日仍有現實意義。
孫思邈對古典醫學有深刻的研究，對民間驗方十分重視，一生致力於醫學臨牀研究，對內、外、婦、兒、五官、鍼灸各科都很精通，有二十四項成果開創了中國醫藥學史上的先河，特別是論述醫德思想、倡導婦科、兒科、鍼灸穴位等都是前人未有。
孫思邈認爲“人命至重，有貴千金，一方濟之，德逾於此”，故將他自己的兩部著作均冠以“千金”二宇，名《千金要方》和《千金翼方》。他汲取《黃帝內經》關於臟腑的學說，在《千金要方》中第一次完整地提出了以臟腑寒熱虛實爲中心的雜病分類辨治法；在整理和研究張仲景《傷寒論》後，將傷寒歸爲十二論，傷寒禁忌十五條，爲後世研究《傷寒雜病論》提供了可循的門徑，尤其對廣義傷寒增加了更具體的內容。他創立了從方、證、治三方面研究《傷寒雜病論》的方法，開後世以方類證的先河。
《千金要方》三十卷，全書合方、論五千三百首，集方廣泛，內容豐富，書中內容既有診法、證候等醫學理論，又有內、外、婦、兒等臨牀各科；分二百三十二門，已接近現代臨牀醫學的分類方法。既涉及解毒、急救、養生、食療，又涉及鍼灸、按摩、導引、吐納，可謂是對唐代以前中醫學發展的一次很好的總結。《千金要方》是中國唐代醫學發展中具有代表性的巨著，對後世醫學特別是方劑學的發展，有著明顯的影響和貢獻；並對日本、朝鮮醫學之發展也有積極的作用。《千金要方》是中國最早的醫學百科全書，從基礎理論到臨牀各科，理、法、方、藥齊備。一類是典籍資料，一類是民間單方驗方，時至今日，很多內容仍起著指導作用。《千金要方》是對方劑學發展的巨大貢獻。書中收集了從張仲景時代直至孫思邈的臨牀經驗，歷數百年的方劑成就，特別是源流各異的方劑用藥，顯示出孫思邈的博極醫源和精湛醫技。後人稱《千金方》爲方書之祖。
《千金翼方》三十卷，是孫思邈晚年著作，系對《千金要方》的全面補充。全書分一百八十九門，合方、論、法二千九百餘首，內容涉及本草、婦人、傷寒、小兒、養性、補益、中風、雜病、瘡癰、色脈以及鍼灸等各個方面，尤以治療傷寒、中風、雜病和瘡癰最見療效。書中收載的800餘種藥物當中，有200餘種詳細介紹了有關藥物的採集和炮製等相關知識。尤其值得一提的是，書中將晉唐時期已經散失到民間的《傷寒論》條文收錄其中，單獨構成九、十兩卷，成爲唐代僅有的《傷寒論》研究性著作，對於《傷寒論》條文的保存和流傳起到了積極的推動作用。