1998年，孙红雷在改编自海岩同名小说的电视剧《永不瞑目》中扮演建军一角，戏份不多。1999年，孙红雷参与演出个人第一部影片《我的父亲母亲》，正式进入影片圈。

　　2000年，孙红雷凭借话剧《三毛钱歌剧》获得第17届中国戏剧梅花奖；这年，孙红雷参演电视剧《像雾像雨又像风》，凭借在这部剧中扮演的阿莱一角而成名。

　　2003年，孙红雷参演警匪剧《征服》，扮演残忍狂妄的黑帮老大刘华强；这年，凭借影片《周渔的火车》获得第10届北京大学生影片节最佳男主角奖。

　　2004年，孙红雷参演描述现实刑警办案的电视剧《我非英雄》；这年，凭借《军歌嘹亮》获得中国电视界最受大众欢迎十佳演员奖。

　　2005年，孙红雷和甄子丹、黎明、张静初共同主演徐克执导的古装武侠片《七剑》，片中孙红雷扮演刽子手烽火连城。

　　2006年，孙红雷和陈小艺主演的电视剧《半路夫妻》播出后收视率不俗，该片在电视剧风云盛典组委会公布的2005年中国内地电视剧收视率前50强名单中排名第4位。拔拘

　　2007年，孙红雷和刘佩琦、陈小艺共同主演电视剧《大工匠》，扮演敢爱敢恨的八级锻工杨老三；这年，孙红雷主演吴宇森监制的影片《天堂口》，扮演天堂夜总会的老板洪哥。

　　2008年，孙红雷出演谍战剧《潜伏》，扮演外表世俗圆滑但是内心坚强的共产党员余则成；12月份，孙红雷参演的影片《梅兰芳》在全国上映，剧中他扮演梅兰芳的经纪人邱如白。

　　2009年4月份，孙红雷主演的电视剧《潜伏》在北京卫视、东方卫视、重庆卫视、黑龙江卫视同时上星播出，该剧在北京卫视创下平均9.1%的高收视率，4月15日的收视率更是超过了14%；6月份，孙红雷主演的电视剧《人间正道是沧桑》在央视八套播出；9月凭借《潜伏》获得第27届中国电视剧飞天奖优秀男演员奖；12月份，孙红雷主演的影片《三枪拍案惊奇》在全国上映，首周票房超过一亿。

　　2010年3月份，孙红雷主演战国题材的影片《战国》，扮演战国时期的军事家孙膑；9月份，孙红雷参演拍摄冯小刚执导的爱情喜剧影片《非诚勿扰2》。

　　2011年，孙红雷和古天乐、高云翔共同主演杜琪峰执导的警匪影片《毒战》，扮演禁毒总队队长张雷。2013年9月13日，孙红雷主演的影片《全民目击》在全国上映；11月份，赴上海拍摄赵宝刚执导的影片《触不可及》。

　　2014年1月份，孙红雷主演的电视剧《一代枭雄》播出；9月19号，出演的影片《触不可及》在全国上映；12月24号，孙红雷出演的电视剧《二炮手》播出。

　　2015年6月19号，孙红雷主演的影片《少年班》上映；这年，参加东方卫视励志综艺真人秀节目《极限挑战》；9月份，孙红雷与江疏影、王耀庆、车晓主演都市情感剧《好先生》。

　　2016年1月15号，孙红雷出演的喜剧悬疑片《极限挑战之皇家宝藏》上映；影片上映6天票房突破一亿元；3月1号，加盟的《超少年密码》开机；4月起，成为东方卫视真人秀节目《极限挑战第二季》的固定成员；5月31号，孙红雷出演的都市情感剧《好先生》首播，在这部剧中扮演米其林SAMSUNG厨师陆远；6月份，孙红雷主演动作片《飓风营救》，在这部片中扮演一位铁骨柔情的硬汉老爸；这年，在影片《老手》中国版中扮演黄正民一角。

　　2019年6月13号，孙红雷主演电视剧《带着爸爸去留学》播出。

　　2020年1月13号，孙红雷出演的电视剧《新世界》播出。

　　2021年2月份，孙红雷为影片《侍神令》中海坊询乐境主角色配音；5月28号，以萌探家族兄弟团成员常驻的综艺《萌探探探案》播出；8月9号，孙红雷和张艺兴、刘奕君主演的扫黑除恶题材影视剧《扫黑风暴》开播。

　　2022年8月份，孙红雷担任第三届庐山国际爱情影片周形象大使。9月份，孙红雷参演国家话剧院创排的文献话剧《抗战中的文艺》；11月18号，孙红雷参演的文献话剧《抗战中的文艺》在网络全平台进行付费演播。