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。
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。
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。
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》。
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。10月13日,参加的综艺节目《一年一度喜剧大赛》在北京举办媒体发布会。
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(张伟平评)。他是个很特别的演员(徐克评)。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(吴刚评)。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(刘惠宁评)。
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(网易评)。
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。
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