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,他被告知只有音乐剧大专班还有招生名额。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音乐剧大专班毕业,因为是旁听生,孙红雷毕业时只拿到一张结业证。
孙红雷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,孙红雷出演个人首部电影《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。孙红雷生活照2005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。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。2007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。2008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。孙红雷参演影视作品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,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。2010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。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》。孙红雷与王骏迪婚纱照2014年1月,主演的电视剧《一代枭雄》播出；9月19日,主演的电影《触不可及》在全国上映；12月24日,主演的电视剧《二炮手》播出。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。2019年6月13日,孙红雷主演电视剧《带着爸爸去留学》播出。2020年1月13日,主演的电视剧《新世界》播出。2021年2月,孙红雷为电影《侍神令》中海坊主角色配音；5月28日,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日,与张艺兴,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,担任第三届庐山国际爱情电影周形象大使。9月,参演国家话剧院创排的文献话剧《抗战中的文艺》；11月18日,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。2023年4月17日,萌探3礼貌式阵容官宣,孙红雷在列。4月28日,加盟的《萌探探探案第三季》播出。
2009年,孙红雷公开承认已有女友。2014年10月1日,孙红雷在微博上宣布与王骏迪结婚。2017年12月16日,孙红雷的妻子王骏迪产下一女。
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。他是个很特别的演员。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。他是一个很聪明的演员,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。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。
孙红雷室内吸烟2019年7月13日,有媒体曝光孙红雷包下了一整层餐厅,与朋友聚会聊天,并且室内吸烟的画面。随后公开道歉,由于自己的行为造成了不好的示范,未来我一定更加注重自己的行为,接受大家的监督。再次道歉,引以为戒,下不为例。诉游戏公司声音侵权案2023年9月25日,成都互联网法庭开庭审理了全国首例影视剧台词声音权纠纷案。孙红雷认为《西瓜摊主大战买瓜人》游戏软件中使用了自己参演的影视剧《征服》经典桥段中的台词声音,所以将该游戏的开发商成都睡神飞科技有限公司和供应商北京睡神飞科技有限公司起诉至法院。10月13日,法院一审判决二被告向原告赔礼道歉并赔偿原告经济损失3万元。