湖南湘阴人。字子异，晚年自号逸叟。左宗棠第四子。清咸丰七年(1857)生。20岁补县学生员。光绪十一年（1885），其父在福州去世，他被清廷恩赏举人。其后两次赴京会试，未中，纳资为道员。
中日甲午战起，湖南巡抚吴大澂率湘军出关作战，左孝同奉调总理营务，并统领5营屯驻山海关。他极力“调和将领，简练卒伍”。多次向吴建议“扼形要、固防守、戒轻进”，均未被采纳。及吴大澂兵败，所部改隶魏光焘，他仍留山海关办理营务。旋以直隶总督王文韶奏调，会办北洋机器制造局，又改北洋营务处，命往山海关遣散江苏按察使陈湜原统湘军20营。光绪二十三年(1897)去职回湘。
维新运动兴起，湖南巡抚陈宝箴推行新政。左孝同受湖南按察使、长宝盐法道黄遵宪之邀，会办湖南保卫局。仿照欧美警察制度，于省城设总局，城内外划分地段，设立分局、小分局数十所，召募巡捕数百名，分区巡查，维持治安。“擘划巨细，昕夕劬瘁”，颇为陈宝箴所棠识，不久以“志识通敏，晓练世务”被荐举于朝。及戊戌政变后，被劾落职。此后，曾一度以道员分发至浙江试用，统领湖州防军。
光绪二十七年（1901），清廷实行“新政”，诏令各地督抚“旁求人才”。左孝同被诏入京，授予四品京堂候补，派充督办政务处帮办，旋转为总办、提调等职。后又历署光禄寺少卿、顺天府丞，补授太常寺少卿，调任光禄寺卿、宗人府府丞。三十三年受任河南按察使，次年调任江苏按察使。至清宣统三年（1911）以提法使兼布政使。在任期间，颇能“励精为治，无所苛纵”，尤以办理海州商场殴毙饥民20馀人及丹徒县庄镜蓉冤死儿妇两案，能“平法洞机，为遐迩所传诵”。清廷颁布《新刑律》，他曾“条驳数十事”，为巡抚程德全所抑而不得上达。
宣统三年（1911），武昌起义爆发，程德全召集各司道会议，拟宣告独立自保。左孝同表示反对，从此避居上海，以清朝遗臣自居，不闻世事。民国13年（1924）11月5日在上海病逝，终年67岁。