同治元年(1862年),曾与宁绍台道张景渠统率清军,在浙东镇压太平军。三年入直南书房,此后,历任会试同考官、国子监司业、陕西乡试副考官、翰林院侍讲、
日讲起居注官、国史馆纂修、詹事府詹事、咸安宫总裁、福建乡试正考官、福建学政等职。光绪四年(1878),升任内阁学士,兼礼部侍郎衔,后迁工部、刑部左侍郎,调户部右侍郎、左侍郎,礼部左侍郎、
吏部右侍郎等职。
为官期间,曾多次奏疏建议杜绝各省乡试弊端、整顿吏治、加强京畿及山海关防务和赈济灾民等,不少被朝廷采纳。孙诒经平生想以儒术拯救时弊,认为:“学所以厉行也,博学而薄行,学奚足尚?”先后数执文柄,荐才拔贤,不遗余力。