1970年，孙红雷出生于哈尔滨市。学生时代的孙红雷比较调皮，喜欢跳霹雳舞，上中学时他常常晚上逃课去哈尔滨青年宫跳舞。

1988年孙红雷到重庆参加全国第二届霹雳舞大赛获得了二等奖，获奖后孙红雷被中国歌剧舞剧院发掘，进入中国霹雳舞明星艺术团。

1995年5月22日，孙红雷参加了中央戏剧学院的考试。由于没有提前做准备，他被告知只有表演系音乐剧班还有招生名额。音乐剧班对考生的形体要求非常高，于是孙红雷开始减肥。一个月过去了，孙红雷的体重减了36斤，当年有700多人参加音乐剧班补招报名，只有孙红雷一人被录取。1997年孙红雷从中央戏剧学院表演系音乐剧班毕业，因为是旁听生，孙红雷毕业时只拿到一张结业证。

1998年，孙红雷在改编自海岩同名小说的电视剧《永不瞑目》中饰演建军一角。

1999年，孙红雷参演首部电影《我的父亲母亲》，正式进入电影圈。

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；同年参演电视剧《像雾像雨又像风》，凭借在剧中饰演的阿莱一角而成名。

2003年，孙红雷参演警匪剧《征服》，饰演残忍狂妄的黑帮老大刘华强；同年凭借电影《周渔的火车》获得第10届北京大学生电影节最佳男主角奖。

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

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

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。

2007年，孙红雷与刘佩琦、陈小艺共同主演电视剧《大工匠》，饰演敢爱敢恨的八级锻工杨老三；同年主演吴宇森监制的电影《天堂口》，饰演天堂夜总会的老板洪哥。

2008年，孙红雷主演谍战剧《潜伏》，饰演外表世俗圆滑但是内心坚强的共产党员余则成；12月，孙红雷参演的电影《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，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；6月，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，孙红雷主演的电影《三枪拍案惊奇》在 全国上映，首周票房超过一亿。

2010年3月，孙红雷主演战国题材的电影《战国》，饰演战国时期的军事家孙膑；9月，参演拍摄冯小刚执导的爱情喜剧电影《非诚勿扰2》。

2011年，孙红雷与古天乐、高云翔共同主演杜琪峰执导的警匪电影《毒战》，饰演禁毒总队队长张雷。

2013年9月13日，孙红雷主演的电影《全民目击》在全国上映；11月赴上海拍摄赵宝刚执导的电影《触不可及》。

2014年1月，孙红雷主演的电视剧《一代枭雄》在江苏、浙江、天津、东方四大卫视同步播播出；9月19日，孙红雷主演的电影《触不可及》在全国上映。

2015年11月20日，第52届韩国大钟奖电影节在首尔永登浦区汝矣岛KBS大楼举行了颁奖礼，孙红雷获得最佳海外男演员奖。

2016年1月15日，主演的喜剧悬疑片《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日，孙红雷加盟《超少年密码》开机；4月7日，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日，主演的都市情感剧《好先生》首播，在剧中饰演米其林三星厨师陆远；6月，主演动作片《飓风营救》，在片中饰演一位铁骨柔情的硬汉老爸；同年，在电影《老手》中国版中饰演黄正民一角。

2018年3月，入选《中国电视剧60年大系u2022人物卷》。4月，参加《极限挑战》第四季。7月，参演电视剧《带着爸爸去留学》。7月22日，孙红雷宣布与辛芷蕾组成“蕾雷组合”C位出道。

2009年， 孙红雷公开承认已有女友。

2014年10月1日，孙红雷在微博上高调宣布婚讯，“我们结婚了。”

2016年1月28日深夜，孙红雷晒出自拍照，并留言称：“都别想我了，赶快熄灯睡觉。”照片中，孙红雷戴着灰色帽子面无表情自拍，额上的齐眉刘海尤其抢镜。

2016年4月12日，乐视体育宣布完成B轮80亿融资。B轮投后估值为215亿。此轮融资由海航领投，孙红雷等10余位个人投资者跟投。

2016年6月15日，上海迪士尼举行了开园盛典，孙红雷出席。

2017年12月16日，孙红雷在微博上报喜，称自己的宝贝女儿出生。他写道“今天，我的宝贝女儿出生了，母女平安，第一时间和大家分享，感谢所有的人，爱你们，心存感激”。

2007年1月，孙红雷担任“感动2006中华慈善春节晚会”的颁奖嘉宾。

2009年10月，从公安部交通管理局局长杨钧手里接过“交通安全宣传员”证书，成为公安部交通管理局聘请的首位交通安全公益宣传明星。

2010年12月，成为增爱基金会增爱之星委员会成员。2011年9月，出席在北京举行的第九届BAZAAR明星慈善夜。 2012年12月，参加慈善名人台球赛。

2016年6月15日，上海迪士尼举行了开园盛典，孙红雷出席。

孙红雷是一个职业化的演员，他会用心揣摩角色，给导演提出自己的意见，力图把角色演到最好，和他合作非常愉快。（张伟平的评价）

他是个很特别的演员。（徐克的评价）

他很像大哥，很有大哥风采，生活里他能够照顾其他人。他很真诚，做事非常认真。（吴刚的评价）

孙红雷是很聪明的演员，从《半路夫妻》到《潜伏》，他有能力将各种各样的角色诠释得很好，演坏人坏到极致，演好人很善良，这是演员的功力。孙红雷的成功不是偶然，他具有优秀演员的必备元素。（刘惠宁的评价）

从电视剧《像雾像雨又像风》中的深情寡言，到电视剧《大工匠》中的耿直刚硬；从电视剧《征服》中的狡猾专横，到电影《七剑》中的阴郁狠辣；孙红雷诠释了不同的角色，演技日臻成熟。在电视剧《潜伏》中，他收敛了以往的极致张扬，变成了谨小慎微、深藏不露的谍报人员。《潜伏》火了，孙红雷更红了，十年辗转，孙红雷尝尽了酸甜苦辣，因为男人的坚持，他的演艺之路，走得越来越宽。（网易的评价）