1971年孙桂芝教授调入中国中医科学院广安门医院内科，得到沈仲圭老师的指导，1972年因工作需要调入肿瘤科工作，1972年3月至1973年2月派到中国医学科学院肿瘤医院内科进修，师从肿瘤内科孙燕教授。参加了“第二届全国西医离职学习中医班”学习。结业后在工作中发现化疗伍用中药，治则不同，其疗效有差异，于是，就萌发了实验筛选有效方药的想法。对临床常用的心脾方、脾胃方、脾肾方、肝胃方开展了实验研究，反复的实验研究发现健脾益肾法的疗效优于其他治则、方药，遂与余桂清主任共同拟定了脾肾方组成(即健脾益肾冲剂)，率先创建了健脾益肾，扶正培本法配合化疗治疗肿瘤的研究大法，此后便开展了扶正培本治则与系列方药的深入研究。

多年来一直从事中医及中西医结合肿瘤临床及实验研究工作，采用整体辨证和微观辨病相结合诊治了中晚期各种肿瘤患者80余万人次。在肿瘤治则治法研究中提出健脾益肾为主大法，根据肿瘤生物学特性及发病后机体内环境的改变，提出扶正培本治则治法。以辨证选用经方为主，灵活运用验方及协同对药为辅，选方得当，用药配伍适时治疗难治性中晚期肿瘤形成了个人独到的特色。在此期间进行了有效方剂和药物扶正、抗瘤、防复发转移的动物实验研究，有了明确的疗效。在此基础上，运用到临床，筛选出对抗转移防复发系列有效方药与方案。

主编与合编著作6部，主编：《孙桂芝实用中医肿瘤学》《常见肿瘤诊治指南》，合编：《中西医结合治疗癌症有效病历选》、《中西医结合防治肿瘤》、《实用中西医结合诊断治疗学》、《中医肿瘤学》《百科全书中医内科分册》等。撰写了扶正培本系列方药治疗胃癌的临床与实验研究、扶正培本系列方药在胃癌综合治疗中应用32年的启示、健脾益肾冲剂治疗晚期胃癌669例扶正作用的临床与实验研究等论文150余篇。

主持参加了国家《六五》《七五》《八五》及中医管理局课题、国家自然科学基金等原创性国家级课题研究14项，获院部级国家级成果奖16项，院级科技成果奖8项、部级7项、国家级1项。第一完成人的13项，第二完成人的2项，第四完成人的1项。多次评为在科研工作中突出贡献工作者，2012年获得首届西城区百名英才突出贡献奖。2014年获中医科学院岐黄奖，2015年获中医科学院唐氏中医药发展奖。

在教学工作中她诲人不倦，严格要求，一丝不苟，先后培养出培养硕士生18名，博士生18名，博士后10名。