2001年，参加新加坡“新传媒8频道”举行的“才华横溢出新秀”，获得亚军及智慧大奖  ，随后签约海润影视，正式出道；2004年，凭借电视剧《玉观音》中安心一角荣获第22届中国电视金鹰奖最具人气女演员奖、最受观众喜爱的电视剧女演员奖、中央电视台电视剧十佳演员及第14届北京电视春燕奖电视剧优秀女主角等多种奖项 ；2005年，主演电视剧《幸福像花儿一样》，并配唱片尾曲《爱如空气》；2006年，因主演动作片《霍元甲》获得第28届大众电影百花奖最佳新人奖；2007年，凭借《新上海滩》提名第13届上海电视节白玉兰奖最佳女演员奖  ；2008年，孙俪发行个人首张音乐专辑《小小的梦想》 ；2010年，凭借《画皮》提名第30届大众电影百花奖最佳女配角奖 。

2012年，孙俪凭借在清宫剧《后宫甄嬛传》中饰演甄嬛入围第41届国际艾美奖最佳女主角奖，并获得国剧盛典最佳女主角  ；2014年，因出演时装剧《辣妈正传》荣获第20届上海电视节白玉兰奖最佳女演员奖、第27届中国电视金鹰奖最具人气女演员奖及观众喜爱的电视剧女演员奖，同年，推出个人单曲《感知成长的神奇》 ；2015年11月古装剧《芈月传》开播，12月喜剧电影《恶棍天使；2016年6月，孙俪凭借饰演芈月获得第22届上海电视节白玉兰奖最佳女主角奖  ，随后主演电视剧《那年花开月正圆》 。2017年，加盟张艺谋新片《影》并担任女主角  。