1999年出演首部电影《我的父亲母亲》，正式进入电影圈。2003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。 2005年出演徐克执导的古装武侠片《七剑》。2008年凭借在电影《梅兰芳》中饰演邱如白一角受到关注。2010年参演电影《非诚勿扰2》。2013年，主演杜琪峰执导的警匪电影《毒战》和电影《全民目击》。2014年，主演电影《触不可及》。
2015年6月19日，孙红雷主演的电影《少年班》上映；同年，参加东方卫视励志综艺真人秀节目《极限挑战》；9月，与江疏影、王耀庆、车晓主演都市情感剧《好先生》。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，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。
去年孙红雷主演的《好先生》又让孙红雷火了一把。有颜又有演技，高标准成就诚意作品。孙红雷对剧本的严苛是圈里出了名的，他的出演本身就代表着剧本质量过硬，孙红雷阔别电视荧屏两年之久，《好先生》中浓墨重彩的重归代表着剧本成色。
