孫吳縣名源于駐地名稱。相傳此地原有孫、吳兩姓人居住，故命名“孫吳”。原為璦琿縣境內的一個村落，后劃歸龍鎮縣。東北淪陷后，日本侵略者于孫吳一帶安插武裝移民。1935年11月1日，北（安）黑（河）鐵路辰清（今孫吳縣南境）至黑河段通車，在此設立孫吳站。日本殖民主義者視孫吳為戰略要地，1937年12月1日，將璦琿縣和龍鎮縣各劃出一部分區域，設置孫吳縣，偽縣公署駐孫吳街。隸屬黑河省。

1940年5月，將奇克縣的西霍勒莫津、東霍勒莫津、東地營子等村落劃歸孫吳縣管轄。1945年“九三”抗日戰爭勝利后，由黑龍江省管轄。1946年2月，劃歸黑河專區（始稱地區）管轄。1947年2月至9月，改隸黑嫩省第五專區（原黑河專區）管轄。黑嫩兩省分開后，仍歸黑龍江省黑河專區管轄。1951年全縣總人口1.03萬人，為丁等縣。

1992年末，孫吳縣位于黑龍江省北部，小興安嶺山脈北麓。北抵黑河市，東與遜克縣毗連，南與德都縣接壤，西與嫩江縣為鄰，東北以黑龍江為界與俄羅斯隔江相望。國境線長37千米。全縣總面積4154平方千米。總人口7.98萬人，其中非農業人口2.5萬人。有漢、滿、達斡爾、蒙古、鄂倫春等民族。轄14個鄉鎮。縣政府駐地孫吳鎮。（以上摘自《黑龍江省志·地名錄》，有改動）

1999年，孫吳縣轄3個鎮、11個鄉：孫吳鎮、辰清鎮、四季鎮、奮斗鄉、群山鄉、腰屯鄉、興北鄉、臥牛河鄉、西興鄉、紅旗鄉、向陽鄉、清溪鄉、正陽山鄉、沿江滿族達斡爾族鄉。

2000年第五次人口普查，孫吳縣總人口95867人，其中（2個鎮、11個鄉）：孫吳鎮34183人，辰清鎮4755人，紅旗鄉2665人，奮斗鄉4298人，西興鄉5852人，清溪鄉2474人，正陽山鄉3570人，向陽鄉1536人，興北鄉6742人，腰屯鄉6008人，沿江滿族達斡爾族鄉7303人，臥牛河鄉3426人，群山鄉3339人，紅色邊疆農場9716人。

2001年，孫吳縣轄2個鎮、9個鄉：孫吳鎮、西興鄉、清溪鄉、正陽山鄉、紅旗鄉、辰清鎮、奮斗鄉、群山鄉、臥牛河鄉、沿江滿族達斡爾族鄉、腰屯鄉。