唐高宗李治幼年之时，就对孙思邈很崇拜，曾“活高宗之性命”。自公元650年高宗继位以来，虽勤于理朝，身体却一直欠佳。正如《新唐书·则天皇后传》道：“帝自显庆之后，多苦风疾，百司表奏，皆奏天后详决。”“有病思良医”，显庆四年（659），高宗十分想念孙思邈，并要让他审定即将成书的《新修本草》。同时为即将颁行世界最早的国家药典仪式和政治上的需要，便下诏请孙思邈进京。孙思邈进京时，高宗举行隆重的仪式，盛情接待。并授予孙思邈谏议大夫之职，要孙思邈长期在身边辅佐他。但孙思邈固辞不受，说服高宗，他要精心研究医药，潜心钻研经典医籍，进行著述撰写。但答应不离高宗而去，居住京城。孙思邈因年事高迈，不便外出，借京师安静适舒的生活条件和丰富的图书资料，在完成《千金要方》基础上，开始撰写《千金翼方》。
这是孙思邈第二次居住京城，其间曾多次应邀随同唐高宗去全国各地巡游，两次到东都洛阳。显庆四年十月至龙朔元年（661）四月，其间从洛阳到并州、嵩山等地。洛阳曾是东汉刘秀建都的地方，唐代定为陪都，称之为“东都”，地处中原。孙思邈是朝廷里德高望重的“老寿星”，既是医者又是学者，从皇帝、皇后到文武大臣、皇戚百官，都以同他在一起为荣。孙思邈随高宗还去龙门石窟巡游，并请求到白马寺等佛教圣地，对佛教进行深入了解。
显庆五年（660）正月，高宗与武则天又到山西并州，直到五月回到洛阳。孙思邈随驾到了并州时，主要居行于太行山。太行山峰峦巍峨，景色壮观，横跨山西、河北、河南等省，以盛产中草药著称，是他研究医药的好地方。孙思邈借用巡游之机在太行山体察民情，寻药问方，沿途施诊，授传医术。至今太行山的许多地方保留有当年孙思邈的遗迹胜址：南麓的茱萸峰有“药王洞”，相传当年“尝居此间”；东麓的五岩山上有五岩洞，相传是当年“晦迹韬藏”的地方；鹤壁市等等都有药王孙思邈的许多遗址遗迹，群众仍进行着纪念活动。
显庆五年（660）十月，高宗“风眩头重，目不能视”，经孙思邈医治而好。高宗去许州（今许昌）路过嵩山，住在嵩山寺中，孙思邈随行。嵩山也是我国的名山，有许多有名的丹士，孙思邈也乐于结识，“孙思邈居于嵩山”。到了龙朔元年（661）四月高宗、武则天才回到长安，孙思邈也随同返回到长安，这次东到洛阳历时19个月。
在中国封建社会，由于统治阶级的政治需要，在哲学上占主要地位的是儒、佛、道思想，在社会道德上是“仁”、“善”、“慈”等伦理观念。历代王朝对儒、道、佛三教又有不同的观点，为争夺支配地位斗争甚为激烈，但都与宫廷内的政治斗争紧密相连。初唐时期，佛道两教仍时有激烈争斗。唐武德八年（625）高祖亲到国子监宣布三教地位：第一是道，第二是儒，第三是佛。唐太宗、唐高宗继位后仍按此序，成为其主要国策之一。虽然以道为先，对儒与佛也无所排斥，仍采取“三教同尊”。后来武则天崇佛抑道，更有传统的儒家思想，因历代继承而根深蒂固。这样的抑扬交替同时发展，斗争仍日趋激烈。面对这种情况，龙朔二年（662），朝廷举办盛大的“三教大辩论”。孙思邈专撰了《会三教论》，阐述了自己的观点：主张三教合一，互相取长补短，反对相互排斥诋毁。他的这一思想得到朝廷和多数教派人士的认同称赞，当时在儒、佛、道各家产生了巨大影响。
麟德二年（665），朝廷举行盛大的泰山封禅活动，孙思邈第二次到东都洛阳。秋十月，唐高宗亲自率领一支庞大的队伍，从洛阳出发，排成几里长的列队，浩浩荡荡，吹吹打打，向泰山方向“封禅”行进。当时高宗患风疾，孙思邈是皇帝的随驾御医，又是前辈元老，出行中皇帝御辇在前，孙思邈之乘在后，从不远离。路经濮阳，又到齐州（今济南）。在泰山举行了隆重的封禅仪式，使这座东岳名山一时热闹非凡。回归行途，孙思邈随驾同高宗、武后又去曲阜谒祀了孔子，到亳州礼拜祭祀了老子，封老子李耳“太上玄元皇帝”尊号。
于第二年（666）四月，从洛阳才回到京城长安。
唐咸亨四年（673）孙思邈奉诏再次同高宗前行九成宫（陕西麟游县西天台山）避暑。九成宫是隋唐帝王的著名离宫之一。宫苑建筑巍峨壮丽，环山抱水，气候清爽。高宗特请孙思邈一起避暑。这次九成宫避暑历经一个夏天，直到秋天，才随同高宗一起返回京城长安。留下了“药王洞”、“药王庙”、“炼丹处”等多处遗址遗迹。