孙云球出身于一个已衰落的官宦之家。其父孙志儒，曾做过福州、漳州知府。其母董如兰，是个有知识的妇女，孙云球著作的序，就是他母亲写的。孙云球年幼时，随父母迁居苏州虎丘山畔，他自幼聪颖异常，13岁即为吴江县乡学生。不久父亲去世，家境中落，又遇明朝灭亡清军南下，生计艰难，他遂以采集出售中草药谋生。虽然如此，孙云球并未丧志，仍勤奋好学，钻研刚从西方传入的数学知识，探讨测量、算指、几何之法。他精于器械制造，《吴县志》说他"精于测量，凡有所制造，时人服其奇巧。"为了校准自鸣钟，他制造了"自然晷"，这是一种据日影以定时刻的仪器。经过使用后证明，以之判定时刻，十分准确。

据文献记载，眼镜在元代已从西域传入我国，但是其价格昂贵，非一般人所能享用，至明代，眼镜仍是珍贵的稀罕之物，到了晚明，杭州成为我国早期眼镜制作的中心。孙云球年轻时就到杭州去学习制镜技术，而在他的思想中又接受了利玛窦等西方传教士传入的几何、物理等科学知识，经过自己制作眼镜的实践积累和探索，最后终于掌握了"磨片对光"技术，创造性地用水晶材料磨制成镜片，还创造了磨制镜片的牵陀车。经他一番悉心研究改进之后，使对光技术有了很大的提高，他能根据眼疾患者年令大小、疾症不同，而随目配镜，而且还可以"以年别者老少花，以地分者远近光"，让患者配到适合自己眼睛的镜片。在磨制凸透镜和凹透镜的基础上，他又利用水晶石磨制成存目镜、万花镜、鸳鸯镜、放大镜、幻容镜、夜明镜、千里镜(望远镜)等各类光学制品，使广大的眼疾患者能减轻痛苦。他的好友文康裔在《读〈镜史〉书后》中写道:"其远镜尤为奇幻，偕登虎丘巅，远观城中楼台塔院，若招致几席，了然在目;睹彼天平、邓尉、穹隆诸峰，虿源洌如列目前，体色毕现。神哉!技至此乎!向见时晷，愚谓奇亦至矣，何幸又得此幻观也?先生曰:'是未足以尽其奇耳。'更以存目镜相贻，试之两眸，心旷神怡，百倍光明，无微不瞩。先生资我披览诵读者，殆锡我以如意珠也。悉之有数十种类，各有不同，而功用亦迥别。"孙云球在制作实践和科学研究的基础上还写了一本眼镜制作方面的专著《镜史》，"令市坊依法制造，(眼镜)遂盛行于世。"(《虎阜志》)眼镜的价格也一路走底，最终使一般的老百姓都能消费得起。"顺治(1644年-1661年)以后价渐贱，每副值银不过五六钱。近来苏杭人多制造之，遍地贩卖，人人可得，每副值银最贵者不过七八分，甚而四五分，直有二三分一副者，皆堪明目，一般用也。"(清叶梦珠《阅世编》)

孙云球生平最大的成就在于光学制作。他曾赴杭州向陈天衢学习光学，陈则学自利玛窦、汤若望。他还曾把一批杭州学者请到苏州一起讨论、研究。苏州还有个富有科学技术知识的薄珏，他的年龄稍长于孙云球，曾经制造过望远镜和浑天仪，对于孙云球有一定影响。孙云球把从他们那里学来的简略且原始的光学知识具体化，利用苏州的琢玉工艺，成功地磨制了各种凹凸透镜，并在此基础上制作了大量光学仪器，把我国民间光学制造业推向了一个新的起点。