在斯坦福大学，孙勇的研究方向是高性能计算、分布式计算及应用软件。6年攻读，他取得了计算机硕士、博士学位。
斯坦福的研究生教育体系，与国内不可同日而语。斯坦福的教学是自由的、开放的，学生可以自定选修课目，基本上不用上课，可以随时与导师讨论研究项目的进展情况；理论上注重创新，实验上注重效果；学生有机会参加各种学术会议，有机会与知名教授合作，有机会参与重要项目或重要的研发活动；学校拥有一流的实验室，课题拥有充足的科研经费，而且还可以得到许多私人赞助；导师十分重视知识到商品的转化，非常强调知识的实用性和应用性。
斯坦福大学不仅是硅谷的发源地，而且是硅谷的心脏。硅谷有70%的公司是斯坦福人创办或控制的，整个硅谷的大半价值都是斯坦福人创造的。
来到了斯坦福大学，孙勇不仅大开眼界，而且如鱼得水。他接触了许多计算机领域的前沿专家，比如，他的导师就是美国国家科学院院士、原斯坦福大学计算机系主任Gene H。Golub教授；他成功地参与了许多科研项目，直接步入计算机研究的尖端领域。
比如，1996～2000年，孙勇参加了美国能源部“重大挑战”项目的研究，并成为其核心研发人员。这个项目由9个诺贝尔奖得主领衔，其仿真线性加速器的核心部分乃目前世界之最，研究价值达几十亿美元。孙勇承担的是其核心部分“电磁场分布”的研究，这部分研究计算规模非常大，需要建立许多数学模型。
经过潜心研究，孙勇提出了基于滤波器原理的并行处理算法，完成了Omega3p软件包的核心开发，为仿真线性加速器优化内部结构设计和加速效果，获得新的电磁场分布起到了积极的重要作用，并且为客户带来了1.2亿美元的经济效益。美国能源部认为这个项目是非常成功的，为此而追加了许多研究经费，孙勇个人也获得了美国能源部“重大挑战奖”。孙勇至今仍然是斯坦福大学的访问学者，仍然关注着这个项目的进展。斯坦福大学目前仍有20余人在这个项目从事研究，仍然使用着孙勇给他们带来的研究经费。
当然，孙勇也从这个项目受益匪浅。他毕业时不仅成绩单上满分全A，获得了教研组第一名的好成绩；其博士论文也获得国际计算电磁学协会2002年度最佳论文奖。
1997～1999年，孙勇作为美国国家重点实验室劳伦斯实验室和斯坦福大学联合项目的核心开发人员，参与了旧金山海湾的仿真项目研究，首次实现了面向对象的并行线性算法以解决大型三维空间的层性流体仿真。
由于这些成就，孙勇被聘任为美国仿真技术应用技术公司的技术顾问。
当然，孙勇并没有将自己局限为一个单纯的学者。在完成学业的同时，他也开始着手创业。像在清华一样，孙勇也积极地参加各种社会活动，他还是斯坦福大学中国学生学者联谊会的骨干。