孫紅雷出生在哈爾濱市道里區一個破舊的俄式老洋房裡，家裡窮，28平方米的房子里，住著父母、爺爺、叔叔和3個孩子，六七個人一個挨一個睡在吊鋪上。父母微薄的工資根本無法應付一家人的吃飯問題。有連續5年，每個月末媽媽都要到鄰居家借10塊錢維持家用，那時鄰居都瞧不起他們。孫紅雷從小就品嘗了底層生活的艱辛。
小時候的孫紅雷便初顯藝術天分。初中時，他突然發現自己特愛唱歌，並且非常喜歡跳霹靂舞，上中學時常常晚上逃課去哈爾濱青年宮跳，後來，參加黑龍江省霹靂舞大賽獲得一等獎。為了改變家庭的貧困境況，18歲時，他棄學去跳霹靂舞，還到各地走穴演出。他還組建了「小虎隊」，一天有300多元的收入。
1995年初，孫紅雷有幸認識了到哈爾濱演出的牛振華、馮鞏等明星，熱心的牛振華說：「你這麼能演，不去報考中央戲劇學院，豈不是太可惜了。」於是孫紅雷決定報考中央戲劇學院，最終憑著出色的表演成功地考進了中央戲劇學院。畢業後，他進入了中國國家話劇院，成為一名話劇演員，並獲得了戲劇界的大獎——梅花獎最佳男主角。
在演了兩年話劇後，孫紅雷幸運地被張藝謀相中出演《我的父親母親》。張藝謀特地找孫紅雷談話，直言選他的原因是需要找一個完全不像演員的人。結果，在這部章子怡的成名作中，幾乎沒人發現曾有孫紅雷的出現。他以雁過無聲的表演方式完成了導演交付的「不可能的任務」，並藉著此片乾淨利落地完成了身份的蛻變：從一個話劇演員到一個影視演員的轉變。2000年，在趙寶剛導演的電視劇《永不瞑目》中，他出演了一個只有六七場戲的打手建軍，這是孫紅雷努力爭來的。當時孫紅雷等了趙寶剛6個小時。趙寶剛只是瞟了他一眼冷冷地說：「不行，太忠厚老實。」孫紅雷輕輕地卻又堅定地說了句：「你不用我會後悔。」趙寶剛嚇了一跳，在重新審視了這個魁梧的年輕人後，勉強同意讓他試鏡。正是這一個建軍，讓不少觀眾第一次對孫紅雷留下了深刻印象。拍完後，趙寶剛對他說，你欠我一部戲。於是，就有了《像霧像雨又像風》里那個深情寡言的阿萊。
2001年，在風靡一時的電視劇《征服》里，孫紅雷憑藉飾演的黑幫老大以其「兇狠」、「霸氣」和「狂妄」，為他贏得了內地娛樂圈「第一硬漢」的美譽；2004年，孫紅雷憑藉《軍歌嘹亮》中高大山一角獲得了當年金鷹獎最佳男演員獎提名和中國電視界最受大眾歡迎十佳演員獎；2006年，孫紅雷和陳小藝主演的電視劇《半路夫妻》奪得當年收視率之冠。
2007年，在《潛伏》中，孫紅雷對角色余則成的把握既精準到位又遊刃有餘，平和中不失果斷，剛毅而不失柔情，昭示著其演技的重大突破。最終，憑此與張國立同時榮獲2009年第27屆飛天獎優秀男演員獎。
一路走來，孫紅雷的星路比其他人要坎坷許多。他嘗盡了人間冷暖，自然也就在等待成功的時刻顯得分外從容。從《像霧像雨又像風》中的深情寡言，到《大工匠》中的耿直剛硬；從《征服》中的狡猾專橫，到《七劍》中的陰鬱狠辣；從《刀鋒1937》中的愛恨分明，到《半路夫妻》中的玩世不恭卻重情重義，直到《梅蘭芳》中邱如白的瘋魔，孫紅雷成功地詮釋了不同的角色，演技日臻成熟。在《潛伏》中，他完全收斂了以往的極致張揚，變成了謹小慎微、深藏不露的諜報人員，讓大家對他充滿了驚喜。而在主旋律大戲《人間正道是滄桑》中，孫紅雷的演技已經可以用爐火純青來形容了。
孫紅雷在評價自己時說：一是滄桑，該經歷的都經歷了；二是貪婪，像是一塊特別能吸收的海綿；三是執著，喜歡將每件事都做到極致，從不放棄。是的，人生有許多成功的機會，但也有許多吃苦受難的考驗，要不顧一切地抓住機會，竭盡全力做好它，並接受艱難的洗禮，才會成為生活的主角，擁有光輝的未來。
