孙吴县名源于驻地名称。相传此地原有孙、吴两姓人居住，故命名“孙吴”。原为瑷珲县境内的一个村落，后划归龙镇县。东北沦陷后，日本侵略者于孙吴一带安插武装移民。1935年11月1日，北（安）黑（河）铁路辰清（今孙吴县南境）至黑河段通车，在此设立孙吴站。日本殖民主义者视孙吴为战略要地，1937年12月1日，将瑷珲县和龙镇县各划出一部分区域，设置孙吴县，伪县公署驻孙吴街。隶属黑河省。
1940年5月，将奇克县的西霍勒莫津、东霍勒莫津、东地营子等村落划归孙吴县管辖。1945年“九三”抗日战争胜利后，由黑龙江省管辖。1946年2月，划归黑河专区（始称地区）管辖。1947年2月至9月，改隶黑嫩省第五专区（原黑河专区）管辖。黑嫩两省分开后，仍归黑龙江省黑河专区管辖。1951年全县总人口1.03万人，为丁等县。
1992年末，孙吴县位于黑龙江省北部，小兴安岭山脉北麓。北抵黑河市，东与逊克县毗连，南与德都县接壤，西与嫩江县为邻，东北以黑龙江为界与俄罗斯隔江相望。国境线长37千米。全县总面积4154平方千米。总人口7.98万人，其中非农业人口2.5万人。有汉、满、达斡尔、蒙古、鄂伦春等民族。辖14个乡镇。县政府驻地孙吴镇。（以上摘自《黑龙江省志·地名录》，有改动）
1999年，孙吴县辖3个镇、11个乡：孙吴镇、辰清镇、四季镇、奋斗乡、群山乡、腰屯乡、兴北乡、卧牛河乡、西兴乡、红旗乡、向阳乡、清溪乡、正阳山乡、沿江满族达斡尔族乡。
2000年第五次人口普查，孙吴县总人口95867人，其中（2个镇、11个乡）：孙吴镇34183人，辰清镇4755人，红旗乡2665人，奋斗乡4298人，西兴乡5852人，清溪乡2474人，正阳山乡3570人，向阳乡1536人，兴北乡6742人，腰屯乡6008人，沿江满族达斡尔族乡7303人，卧牛河乡3426人，群山乡3339人，红色边疆农场9716人。
2001年，孙吴县辖2个镇、9个乡：孙吴镇、西兴乡、清溪乡、正阳山乡、红旗乡、辰清镇、奋斗乡、群山乡、卧牛河乡、沿江满族达斡尔族乡、腰屯乡。