孙天牧是书法家孙墨佛长子，自幼受家庭影响，酷爱书画。师从陈少梅先生，多年研习自唐、宋以来传统山水画名家的技法和风格，并潜心研究北派山水画，其山水画工细潇洒，清丽典雅，在继承传统的基础上形成了自己的独特风格。

1927年入开封两河中学读书，两年后转入开封河南艺术学校。

1930年就读于北平华北大学艺术系，攻国画，

1953年加入北京中国画研究会，先后应聘为沈阳博物馆、北京荣宝斋、故宫博物院等单位复制古画，1958年到太原山西艺术学院任教。

1960年到吉林省艺术学院国画系任教，

1975年退休。1985年11月被聘任为中央文史研究馆馆员。

2010年9月26日于北京逝世。 

孙天牧从摹写到创作，艺术的态度十分严谨。他对南宗、北宗的区别归纳为“积墨法”、“泼墨法”道破“玄机”。这不只是理论上的判断和分析，孙天牧的许多力作如《泉声危石》、《临流赋诗》、《古柏高士图》中画面反复印证了老人对传统笔墨的谙熟，其整合、发挥、创造的意境令人叹为观止。由此，启功先生在为孙天牧作品集作序中评价孙天牧的艺术成就：“画承陈先生（少梅）嫡乳，深得宋贤遣矩，笔力坚卓，设色大方，虽寿登九十无丝毫暮年风貌。” 孙天牧对传统山水画法具有渊博的知识和深厚的功力，尤精于北派山水，他临摹的古画，几可乱真。宋代董源《夏景山口待渡图》、王晋卿《渔村小雪图》、赵伯驹《江山秋色图》、李成《寒鸦图》、元代赵子昂《秋郊饮马图》以及唐宋元各名家山水画册等都有他的复制品，分别为北京故宫博物院及沈阳博物馆收藏，并替代原画展出。孙天牧运用传统笔墨对山水画注入了新的意境，技法自如娴熟，北骨南风，充满着生活情趣，领略孙天牧笔下的纵横吞吐、逶迤连绵的北国风光，以及闲适空灵、散淡无为的江南诗意。循古法而出新意，这是孙天牧对中国绘画的杰出贡献。