1958年4月，孙家栋从苏联茹科夫斯基空军工程学院学成归国。当时，中国正在谋划发展导弹事业，新组建的国防部第五研究院急需技术人才。孙家栋二话不说，服从组织分配，来到国防部五院一分院导弹总体设计部。边学边干，边干边学。孙家栋跟着钱学森等老一辈科学家搞了九年导弹，自己也成长为一名成熟的导弹专家。

1967年7月，一道调令，让孙家栋又一次迎来了人生的转折点——中央决定组建空间技术研究院，钱学森亲自点将，让孙家栋担任我国第一颗人造卫星的技术总负责人。这一次，孙家栋一干就是40多年，再也没有离开过。

发射卫星是一个庞大而复杂的系统工程，年仅37岁的孙家栋从组建队伍开始，带着大家向前攻关突进。仅仅2年多的时间，“东方红一号”卫星初样基本告成，周总理要听取卫星工作的汇报，可孙家栋却犯了难。当时为了表达对毛主席的热爱，各研制单位都会设计较大的毛主席像章放在卫星里，为此，孙家栋彻夜难眠。

在向周总理汇报时，孙家栋下决心把心底的想法讲了出来：“大家热爱毛主席的心情可以理解，可挂上很多像章，不仅增加了卫星的重量，影响卫星散热，而且对卫星的姿态会带来影响……”周总理的脸色陡然变得严肃起来，“政治挂帅是要把工作做好，而不能庸俗化。你回去跟大家讲清道理，搞卫星一定要讲科学性。”听完周总理的这番话，孙家栋终于放下心来。

1970年，“东方红一号”卫星发射成功，一曲嘹亮的东方红响彻大地。

2004年，孙家栋被任命为探月工程总设计师时他已75岁。很多人劝他“功成身退”，可孙家栋却说：“国家需要，我就去做。”他说这是一个航天人最基本也是最重要的素质。