在长安期间，孙思邈留下了许多脍炙人口的传奇故事，其中最着名的便是“悬丝诊脉”。贞观中期，长孙皇后怀胎十月却迟迟未产，缠绵病榻，太医院的太医们轮番诊治，都束手无策。大臣徐茂公想起了孙思邈，连忙向唐太宗举荐。入宫后，碍于“男女授受不亲”的礼教，孙思邈无法直接为皇后诊脉。他略一思索，取来一根红线，让宫女将线的一端系在皇后腕间，另一端自己捏在手里，隔着竹帘开始诊脉。片刻后，他松开红线，对唐太宗说：“皇后脉象沉而有力，并非生病，而是胎儿胎位不正，阻塞了气血。只需用针刺几个穴位，便能顺产。”唐太宗将信将疑，让宫女按照孙思邈的指示准备。孙思邈隔着竹帘，指点宫女在皇后的合谷、三阴交等穴位施针。刚扎下针，皇后便痛呼一声，随即传来婴儿响亮的啼哭——太子李治降生了。唐太宗大喜过望，当即赏赐黄金百两、绸缎千匹，孙思邈却只收下了几味宫中特有的药材。“陛下的心意草民领了，但这些钱财对我无用，不如留给需要的百姓。”
除了宫廷诊治，孙思邈仍经常出宫为百姓看病。长安城西有个贫民窟，住着许多乞丐和贫苦百姓，这里卫生条件差，常常爆发疫病。孙思邈每周都来这里义诊，不仅免费送药，还教百姓们用艾草熏屋消毒，用马齿苋煮粥预防痢疾。有个乞丐得了“烂疮”，整条腿都化脓了，散发着恶臭，没人敢靠近。孙思邈却蹲下身，用清水为他清洗伤口，又敷上自己配制的药膏。半个月后，乞丐的腿竟痊愈了。百姓们都称他为“活菩萨”，每次他来，都有人主动给他端水、送干粮。贞观年间，孙思邈还救治了着名诗人卢照邻。当时卢照邻得了“麻风病”，四处求医无果，整日郁郁寡欢。孙思邈不仅为他诊治，还开导他：“天有盈虚，人有屯危，不自慎，不能济也。养性必先自慎，才能长寿安康。”他教卢照邻按摩导引之法，又开了食疗方子。在孙思邈的照料下，卢照邻的病情竟渐渐好转。后来，卢照邻一直以师长之礼侍奉孙思邈，写下了许多赞颂他的诗文。
唐高宗显庆四年（659年），孙思邈已近八旬，却仍精力充沛。这一年，他受朝廷之命，主持编纂了世界上第一部国家药典——《唐新本草》。这部药典收录了844种药物，不仅有详细的性味、功效记载，还有插图说明，为后世药物学的发展奠定了基础。唐高宗为表彰他的功绩，赐给他“炬医传承”的匾额，寓意“以医术为火炬，传承仁心”。此时，孙思邈觉得《千金要方》还有诸多不足，便开始编撰《千金翼方》作为补充。如果说《千金要方》是“临床医学百科全书”，那么《千金翼方》就是“药物学与伤寒学宝典”——书中不仅补充了大量药物的记载，还系统整理了《伤寒论》的内容，提出了“针药并用”的治疗理念。他说：“知药不知灸，未足以尽治疗之体；知灸不知针，未足以极表里之变。”只有多种疗法结合，才能达到最好的疗效。
在这两部着作中，孙思邈最看重的并非方剂本身，而是“医德”。《千金要方》的开篇既不是医方，也不是药理，而是《大医精诚》和《大医习业》两篇文章，这也是中国医学史上最早的“医德规范”。他在文中强调，真正的“大医”必须具备“精”和“诚”两个品质：“精”是指医术要精湛，要“博极医源，精勤不倦”；“诚”是指品德要高尚，要“见彼苦恼，若己有之”，对待患者无论贫富老幼、亲疏远近，都要一视同仁。他还为医者定下了七条准则：不恃才傲物，不贪图财物，不议论他人是非，不投患者所好开贵重药，临诊时要专心致志，遇到危险要一心赴救，不得喜笑喧哗。这些准则至今仍是中医从业者的“行为标杆”。
除了医德和医术，孙思邈的养生之道也影响深远。他融合儒释道的养生精华，提出了“治未病”的思想，认为“上医医未病之病，中医医欲病之病，下医医已病之病”。在饮食上，他反对膏粱厚味，提倡“常须少食肉，多食饭”，“食欲而少，不欲顿而多”；在运动上，他主张“常欲小劳，但莫大疲”，推荐按摩、导引、散步等轻缓运动；在心态上，他强调“静以养心”，要摒除名利、喜怒、声色的干扰。他自己便是这套养生法的践行者，活了141岁，在古代堪称“奇迹”。
唐高宗上元元年（674年），孙思邈已是133岁高龄。他向高宗请求归乡，高宗不舍，特意赐给他良马，还将鄱阳公主的旧居赐给他居住。但孙思邈还是回到了华原的五台山，继续着书立说，身边跟着几个忠心的弟子。晚年的孙思邈，仍坚持上山采药、为百姓看病。民间传说，他曾在采药时遇到一只猛虎，老虎嘴角滴血，垂首哀鸣，原来喉咙里卡了一根驴骨。孙思邈让弟子撑开虎口，亲手拔出骨头，老虎竟从此随侍左右，帮他驮药箱、护药林，成了他的“坐骑”。还有一次，他冒雨出诊，遇到一位白发老翁求救，说自己喉生恶疮。孙思邈诊脉后发现老