2001年初，孙俪参加新加坡“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，孙俪与恩师海岩创办的海润公司并签订了合同。孙俪第一次参与拍摄电视剧是《情深深雨蒙蒙》，扮演陆依萍（赵薇饰）的舞伴；不久后海润公司筹拍大型电视剧《玉观音》，孙俪出演女主人公安心。并获得了第22届中国电视金鹰奖“最受观众喜爱的女演员”奖和“最具人气女演员”奖。
2004年，孙俪出演《一米阳光》、《红粉世家》、《风雨西关》、《血色浪漫》等多部电视剧，她参演的影视作品较多是年代戏中的偶像剧。
2005年，孙俪出演电视剧《幸福像花儿一样》，并在此剧中认识现任丈夫邓超。
2006年9月5日，出任丽江市城市形象代言人。
2008年9月1日北京残奥会圣火在上海传递，孙俪成为第57棒火炬手。
2011年，孙俪出演电视剧《后宫甄嬛传》，在剧中饰演甄嬛，因其在《甄嬛传》里出色的演技，孙俪获得2012年国剧盛典最佳女主角，并获得两项提名，上海杜莎夫人蜡像馆也为她在戏中“皇太后”造型塑造蜡像。同年参演了与麦兆辉、庄文强导演合作的《关云长》及陈嘉上导演的《画壁》。2013年，孙俪出演电视剧《辣妈正传》，在剧中饰演女主夏冰。也因电视剧《辣妈正传》荣获第20届上海电视节"白玉兰奖"最佳女演员奖。
2015年9月3日孙俪在微博晒出自己的17岁军装照，孙俪军装照汇总。