孙桓，字叔武，吴郡富春人。孙河（孙河，字伯海。孙坚族子，本姓俞，后因孙策喜爱，赐姓孙）第三子。
建安二十四年（219年），参与由吕蒙指挥的袭击荆州行动。关羽兵败后招揽关羽余众，得五千人以及大量牛马器械。
黄武元年（222年），孙桓二十五岁，拜安东中郎将，跟随陆逊抗击进攻东吴的刘备。当时刘备率领众多兵众进攻，满山都是蜀军，孙桓奋战，与陆逊等协力击破蜀军。刘备兵败逃走，孙桓截击，差点就可生擒刘备。刘备更忿恨地感叹：“吾昔初至京城，桓尚小儿，而今迫孤至此也！”战后孙桓因功拜建武将军，封丹徒侯，督牛渚，修筑横江坞，期间逝世。
《吴书》载孙桓“仪容端正，器怀聪明，博学强记，能论议应对。”连孙权都称赞他为宗室中的颜渊。