北宋康定元年（１０４０年），西夏李元昊大举进攻延州，石元孙与主将刘平从庆州来援，在三川口（今延安西）遭遇西夏军突袭，仓促应战，三川口之战爆发。鄜延都监黄德和见西夏兵多势众，在阵后领兵先逃，宋军溃乱。刘平、石元孙领残兵退到西南山立寨抵御。元昊率军攻入山寨，宋军全军覆没，刘平、石元孙战败被俘。刘平病死西夏，宋夏议和后，石元孙被放还。

元孙字善良，始名庆孙，避章献太后祖讳易之。以守信荫为东头供奉官、阁门祗候，累迁如京副使。
仁宗即位，改文思副使、勾当法酒库。吏盗酒，坐失察，追二官，复如京副使。为澶州巡检，徙知莫州，有治迹，以礼宾使再任。又徙保州，领廉州刺史，兼广信、安肃军缘边都巡检。时开屯田，凿塘水，有讼元孙擅污民田者，遣官按视，讼者以诬服，即赐白金五百两，诏褒谕之。再迁西上阁门使、并代州兵马钤辖，历侍卫亲军步军殿前都虞候、鄜延副都总管、缘边安抚使，迁邕州观察使。
康定初，夏人寇延州，元孙与战于三川口，军败见执。传者以为已死，赠忠正军节度使兼太傅，录其子孙七人。及元昊纳款，纵元孙归。谏官御史奏：元孙军败不死，辱国，请斩塞下。贾昌朝独言曰：“在春秋昌，晋获楚将谷臣，楚获晋将知罃，亦还其国不诛。”因入对，探袖出《魏志·于禁传》以奏曰：＂前代将臣败覆而还，多不加罪。＂帝乃贷元孙，安置全州。以升祔赦，内徙襄州。侍御史刘湜言：“元孙失军辱命，朝廷贷而不诛，若例从量移，无以劝用命之士。”元孙遂不徙。从徙许州，还京师卒。