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。

孙云球发明眼镜后，由于效果好，许多人不惜高价购买。浙江天台有个叫文康裔的人，患有近视。孙云球赠给他一副千里镜，于是他拿着它登上虎丘试验，远远地看见城中的楼台、高塔、庭院好像就在眼前，天平、灵岩、穹窿各个山峰棱角分明、苍翠可见，万物都看的清清楚楚，于是惊诧至极。他的舅舅董德其有严重的近视，只能看清数寸以内的事物，在康熙十七年的乡试中，借助孙云球所制眼镜，便可以看清一尺远。