孙桓是孙河的第三个儿子，上有兄长孙助、孙宜，下有弟弟孙俊。孙桓长相仪表堂堂，器怀聪朗，读书博学强记，常被孙权称赞为“宗室颜渊”，之后受到重用担任为武卫都尉。
建安二十四年(219年)，孙桓参与由吕蒙指挥的袭击荆州行动，在这场战役中，孙桓随军队在华容道击败关羽，大获全胜，擒获了关羽的余众将近五千人以及大量的机械和牛马等。
黄武元年(222年)，孙桓二十五岁，被拜为安东中郎将，跟随陆逊抗击进攻东吴的刘备。当时刘备率领众多精兵进军，军队非常强大，满山都是蜀军。孙桓分兵到夷道讨伐刘备的前锋，被刘备军所包围，向陆逊求救，陆逊说：“不能去救。”诸将说：“孙将军是公侯，被包围处境已经很困难，为何不救 ”陆逊说：“孙将军在士兵中很得人心，且城池牢固，粮草充足，没什么值得担忧的。等我的计策实行了，即使不去救他，他也会自然解围。”等到策略实行后，刘备军果然崩溃。孙桓与陆逊等人奋战杀敌，两人协力将刘备带领的精兵全部击退，刘备看到情况不妙，狼狈的想要逃走，孙桓前去拦截刘备逃跑之路，差一点就生擒了刘备。刘备逾山越险，仅乃得免，忿恚叹曰：“吾昔初至京城，孙桓尚小儿(当时孙桓仅十一岁)，而今迫孤乃至此也!”战后，孙桓以功拜建武将军，封丹徒侯。后被派去修筑横江坞，年二十六岁英年早逝。