作为我国人造卫星技术、深空探测技术和卫星导航技术的开创者之一，中国科学院院士孙家栋这样表达他的人生感悟：“我这一生与星星结下了不解之缘，我最大的心愿就是造一辈子‘中国星’。”翻开中国航天史，太多“中国第一”的背后都有孙家栋的功劳：第一枚导弹、第一颗人造地球卫星、第一颗北斗导航卫星、第一颗探月卫星……在我国前100颗卫星发射任务中，由他担任技术负责人、总设计师或工程总师的超过1/3。
60多年的航天征程中，孙家栋多次历险。有一次，离火箭点火只有几十秒，卫星却出了问题，情急之下，孙家栋大喊：“停止发射！”古稀之年，孙家栋担任月球探测一期工程总设计师。当“嫦娥一号”成功环绕月球时，孙家栋在欢呼的人群中转身抹泪的瞬间打动了许多人。
20世纪60年代，我国自主研制人造卫星被提上议事日程。
当时，担任中国空间技术研究院院长的钱学森亲自点将，任命38岁的孙家栋为中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”的总体设计负责人。经过实事求是的科学论证，孙家栋带领研制团队确定了第一颗人造卫星的技术目标，即“上得去、抓得住、听得清、看得见”。他简化方案，提出“两步走”的研制计划，即先用最短的时间实现卫星上天，在解决了有无问题的基础上，再研制带有探测功能的应用卫星。
1970年4月24日，“东方红一号”卫星发射，《东方红》乐曲从太空传来，响彻全球，向世界宣告中国航天时代的到来。“火箭带着卫星升空后，我把眼睛瞪圆了盯着显示器上的曲线，一直看着那条线按照设计的弹道轨迹运动起来。我心里还是不敢相信——这到底是真起来了，还是假起来了？”当时的情景孙家栋仍然历历在目，“那个场景终生难忘，激动的心情确实无法形容。每一颗螺丝钉都是中国制造的，真是感觉扬眉吐气！”
在60多年的航天征程中，孙家栋多次历险，最让他感到惊心动魄的“险情”有两次。1974年11月5日，我国第一颗返回式遥感卫星即将升空，却突然无法收到卫星内部供电成功的信号。卫星没有内部供电，意味着即使上了天，仪器、设备也无法工作。此时，离火箭点火只有几十秒。情急之下，孙家栋冒险大喊：“停止发射！”指挥员执行了一个由不该发指令的人发出的、按规定不该执行的指令，发射程序戛然而止。
叫停以后，研制团队组织排查，发现一个插头松动了，修复后又恢复发射。不过，这次发射最终还是因为一根导线断裂而失败了。
20世纪90年代，中国开始自主建设北斗卫星导航定位系统。1994年“北斗一号”立项时，65岁的孙家栋毅然接过时代赋予的重任，担任北斗系统工程总设计师，勇闯科学前沿。在孙家栋的带领下，“北斗一号”“北斗二号”系统相继建成。同时，团队还完成了“北斗三号”系统工程立项论证和前期工程实施。
在担任总设计师的20多年里，他带领团队在太空中搭建了双星定位系统，从根本上解决了中国导航卫星的有无问题，走出了一条具有中国特色的“先试验、后区域、再全球”的“三步走”发展道路，为世界卫星导航领域提供了一种新的发展模式。
2004年，我国探月工程启动，75岁的孙家栋又接过探月工程总设计师的重任，与中国工程院院士栾恩杰、中国科学院院士欧阳自远组成“探月铁三角”。
在担任月球探测一期工程总设计师期间，孙家栋提出了工程研制的指导思想，确定了工程目标和工程总体方案，对工程各大系统的技术途径作出重要决策，主持解决了多项关键技术问题。2007年11月5日，远在38万公里之外的“嫦娥一号”成功环绕月球的那一刻，在欢呼的人群中，这位老人悄悄转过身，掏出手帕擦去脸上的泪水。在孙家栋看来，这是幸福和喜悦的泪水。“那一瞬间，心情完全不一样，那种自豪感说不出来。”他说。