1998孙红雷在电视剧《永不瞑目》中饰演建军一角,戏份不多 。
1999年出演首部电影《我的父亲母亲》。
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》,因剧中饰演的阿莱一角而成名。
2003年出演警匪剧《征服》,片中他饰演的刘华强是一个残忍狂妄却又一往情深的黑帮老大;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年出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年出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》收视率不俗 ,该片在电视剧风云盛典组委会公布的2005年内地电视剧收视率前50强名单中排名第4位。
2007年出演电视剧《大工匠》,剧中孙红雷扮演的八级锻工杨老三是一个敢爱敢恨的人;同年参演吴宇森执导的电影《天堂口》。
2008年出演谍战剧《潜伏》,剧中孙红雷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》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》在央视八套热播;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年参演电影《非诚勿扰2》、《战国》。
2011年出演杜琪峰执导的电影《毒战》,剧中孙红雷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。
2014年孙红雷、海清主演的电视《二炮手》上映。