孙多慈的父亲叫孙传瑗（养癯），曾任大学教授、教务长，还曾是孙传芳的秘书、国民党安徽省常委，其母汤氏是某女校校长。孙多慈姐弟三人，她是老大，从小受过良好的家庭教育，17岁时毕业于安徽省立第一中学高中部。

1930年9月，孙多慈赴南京中央大学美术系充旁听生，时值著名画家徐悲鸿出任美术系主任，常亲自授课，孙多慈遂成为徐悲鸿的学生。徐悲鸿很快发现了孙多慈与众不同的才华和悟性，认为如此出众的女学生实不多见，就格外用心地培养她，时常在课余约她来画室观摩，并为她个人画像，谁知日子一长，一场艰难而痛苦的“师生恋”就拉开了序幕。徐悲鸿那时的太太蒋碧薇闻讯后大发雷霆，一方面在家里向徐悲鸿发难，另一方面指使人对孙多慈进行人身攻击。不是把她的名字写在黑板上，加上不堪入目的秽语加以诋毁，就是用刀把孙的画作捅破，并恫吓她：“我将像对付这张画一样对付你！”

1931年7月，孙多慈以第一名的成绩正式考取了中央大学美术系。在以后的4年里，虽然徐悲鸿很少在南京逗留，但蒋碧薇并没有放松对她的攻击，孙多慈只能百般地忍耐。然而蒋碧薇越是闹得凶，徐悲鸿越是对她不感兴趣，感情的天平越向孙多慈倾斜。他曾画了一幅“台城夜月”图，把他和孙多慈都画入其中了，两个人一个席地而坐，一个侍立一旁，洁白的纱巾随风飘动，天边正高悬着一轮皓月。可惜这幅画被蒋碧薇发现了，被她撕成了碎片。在孙多慈完成大学学业时，徐悲鸿原打算带领全班同学赴苏联参观学习，然后趁机送孙一人赴法国深造的，但这一计划最后被破坏无遗。

后来徐、孙二人不得不各奔东西，中间全靠徐的好朋友舒新城来为他们传递信件。他们在信中互诉离别之苦。徐曾绘《燕燕于飞图》赠孙，画面为一古装仕女，满面愁容，仰望着天上飞翔的小燕子出神，上题：“乙亥冬，写燕燕于飞，以遣胸怀。”表示了对孙依然是一往情深。孙则寄一粒红豆给徐，不着一字。徐见红豆触景生情，即以“红豆三首”为答，其诗中曰：“灿烂朝霞血染红，关山间隔此心同；千言万语从何说，付与灵犀一点通。”“耿耿星河月在天，光芒北斗自高悬；几回凝望相思地，风送凄凉到客边。”“急雨狂风避不禁，放舟弃棹匿亭阴；剥莲认识中心苦，独自沉沉味苦心。”

抗战爆发后，孙多慈一家辗转流徙到了长沙，徐悲鸿终于得以抽身出来到长沙与孙见面，并将孙的全家接到桂林，而且为孙在广西省政府谋到一职，这段时间也许是他们在一起最愉快的日子，他们常常一起去漓江写生，两人均创作了不少作品。几个月后，徐悲鸿在《广西日报》上刊出了一则与蒋碧薇脱离同居关系的启事，他们的朋友沈宜申拿着这张报纸去见孙的父亲，想极力促成徐、孙的婚事，谁知孙老先生竟坚决反对，而且带着全家离开了桂林，转往浙江丽水。一向软弱又内向的孙多慈在此关键时刻屈服于父亲，在丽水的一所中学任教。后来，徐悲鸿应邀去印度讲学，一去四五年不归，直到1942年春才回国，而这时的孙多慈，已迫于父命，嫁给当时浙江省教育厅厅长许绍棣。许40来岁，正丧偶待续。徐悲鸿于次年认识了廖静文，后来娶廖静文为妻。

孙多慈在艺术上有自己的追求，三十年代后期已扬名天下了，1936年中华书局为其出版了第一本素描集。第二年在安徽举办了个人画展，1949年在上海慈淑大楼又举办了个人画展。解放前随丈夫到了台湾，任台湾师范大学艺术系主任，五十年代赴美国和法国进修，在台湾又举办了个人画展，受到了极高的评价。

1953年9月，徐悲鸿在北京病逝，噩耗传到台湾时，蒋碧薇正去中山堂看画展。在展厅门口当她刚签好名字一抬头，正好孙多慈站在了她面前，这对几十年前的情敌，一时双方都愣住了。后来还是蒋碧薇先开了口，略事寒暄后就把徐悲鸿逝世的消息告诉了孙，孙闻之即刻脸色大变，眼泪夺眶而出。她怎么也不会料到，这是蒋碧薇惟一的一次与她对话，竟是告诉她徐悲鸿的死讯！

七十年代初，孙多慈患了乳腺癌，曾三次飞往美国手术，仍无效，于1975年2月，病逝于她的好友吴健雄博士的家中，享年63岁。