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，(孙红雷语录)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，戏份不多 。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，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，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，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。

2015年，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。

2015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2015年中国内地电视剧收视率前50强名单中排名第4位。

2015年，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。

2015年，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。

2015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，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。

2015年3月，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，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。2015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》。

2015年1月，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，主演的电影《触不可及》在全国上映。