孙思邈医学理论精深，临床经验丰富，对药物知识的研究从不放松，亲自涉足深山采药、品尝、探究、种植，并在自采、自制、自用的过程中掌握药物的规律性，探赜新经验，把他的成果写进《千金要方》、《千金翼方》中去。
孙思邈在《千金翼方》开首列“药录纂要”，次之列“本草”。
分类新、条理明，是其显明的特点。他特别强调：采药要注意时节，“药材采取不知时节，不把它阴干晒干，虽有药名，但不能用”，“与朽木不殊”，“与凡草不别”。并强调采集地道药材。提倡医者亲自种药和造药。在《千金翼方》卷十四又专列“种造药第六”，《翼方》中有四卷专讲药物。同时，他还列举了200多种植物药材的采集时节与炮制方法，根据不同时节，采集不同种类的根、茎、叶、花、果入药。注明采集时日，载明采集后必须阴干、暴晒或火干，以保证药物质量。如在“菊花”项下写道：“正月采根、三月采叶、五月采茎、九月采花、十一月采实，皆阴干。”又对500多种“地道”药材，根据产地不同，功效差异，进行了论证。他要求医务人员要熟谙药物性味、功能、剂量，了解药物产地、炮制、服药禁忌等。这样才能做到“药到病除”。
孙思邈在继承祖国医学的同时，吸收了国外医药学说，扩大了药物领域。采用了不少外来药物和方剂，如诃黎勒、郁金、苏合香等，与阿伽陀丸、耆婆丸等。尤其令人称道的是他重视食疗，记载了防治营养缺乏病的药方。他开创了将药物按其功效进行分类的方法，对药物在“七品分类”的基础上，简录了药物的性味和主治，并按照功用将药物分成65章，以治疗百病，便于医者临床选用。孙思邈发现马齿苋、苦参、黄连、白头翁等治痢疾；常山、蜀漆等治疟疾；尤其发现川栋治蛔虫，为从川栋中分离出川栋素提供了依据，现代药理证明川素能麻痹蛔虫头部，使其失去附着力，达到驱虫效果。
孙思邈开历史之先河，使中药由野生变种植，详细叙述了枸杞、牛漆、地黄等15种药物的种植，从择地、选种、育苗，直到施肥、灌溉、收获，一一加以具体介绍。对中药的制法他非常讲究，并不断革新，如对生地黄、熟地黄的制作方法比前人有很大提高。再对钟乳石、鹿角胶等矿物与动物药的制作方法较前也有很大改进，特别是对有毒性中药的炮制，贡献很大。孙氏对有毒的10余种矿物药都介绍有去毒的方法。
在中国药学史上孙思邈率先详述了药物贮藏问题，全面介绍了药物的干燥、密封、防霉、防鼠、防蛀的具体措施。并提出了保证生药药性和疗效的基本原则。他善于将古方的严谨、经验方的灵活、民间单方秘方的简便和特效，兼而取之，依据具体情况或加减化裁，或单用、联用，提高疗效。在实践中创立了或在其著作中首载许多新方，例如：犀角地黄汤、独活寄生汤、温胆汤、小续命汤、韦茎汤、磁朱丸等，疗效确实，至今为医家喜用。
孙思邈在《翼方》卷一“药名第二”中指出：“天竺大医耆婆云，天下物类是灵药，万物之中无一物而非药者，斯乃大医也……所述录药名品，欲令学徒，知无物非药耳。”认为天下物类皆是灵药，丰富了药物的品种与来源。孙氏制剂剂型有汤剂、酒剂、散剂、丸剂、膏剂、乳汁剂、溶剂、栓剂及其薄贴、膏药等，给药途径及方式有内服、外涂、药物按摩、湿敷、撒布、温熨、喷烟、吹耳鼻、滴眼、滴鼻、洗浴、****或阴部坐药、佩绛带、****、薰法等，灵活多变，丰富多彩。