孙红雷出生在哈尔滨市道里区一个破旧的俄式老洋房里，家里穷，28平方米的房子里，住着父母、爷爷、叔叔和3个孩子，六七个人一个挨一个睡在吊铺上。父母微薄的工资根本无法应付一家人的吃饭问题。有连续5年，每个月末妈妈都要到邻居家借10块钱维持家用，那时邻居都瞧不起他们。孙红雷从小就品尝了底层生活的艰辛。
小时候的孙红雷便初显艺术天分。初中时，他突然发现自己特爱唱歌，并且非常喜欢跳霹雳舞，上中学时常常晚上逃课去哈尔滨青年宫跳，后来，参加黑龙江省霹雳舞大赛获得一等奖。为了改变家庭的贫困境况，18岁时，他弃学去跳霹雳舞，还到各地走穴演出。他还组建了“小虎队”，一天有300多元的收入。
1995年初，孙红雷有幸认识了到哈尔滨演出的牛振华、冯巩等明星，热心的牛振华说：“你这么能演，不去报考中央戏剧学院，岂不是太可惜了。”于是孙红雷决定报考中央戏剧学院，最终凭着出色的表演成功地考进了中央戏剧学院。毕业后，他进入了中国国家话剧院，成为一名话剧演员，并获得了戏剧界的大奖——梅花奖最佳男主角。
在演了两年话剧后，孙红雷幸运地被张艺谋相中出演《我的父亲母亲》。张艺谋特地找孙红雷谈话，直言选他的原因是需要找一个完全不像演员的人。结果，在这部章子怡的成名作中，几乎没人发现曾有孙红雷的出现。他以雁过无声的表演方式完成了导演交付的“不可能的任务”，并借着此片干净利落地完成了身份的蜕变：从一个话剧演员到一个影视演员的转变。2000年，在赵宝刚导演的电视剧《永不瞑目》中，他出演了一个只有六七场戏的打手建军，这是孙红雷努力争来的。当时孙红雷等了赵宝刚6个小时。赵宝刚只是瞟了他一眼冷冷地说：“不行，太忠厚老实。”孙红雷轻轻地却又坚定地说了句：“你不用我会后悔。”赵宝刚吓了一跳，在重新审视了这个魁梧的年轻人后，勉强同意让他试镜。正是这一个建军，让不少观众第一次对孙红雷留下了深刻印象。拍完后，赵宝刚对他说，你欠我一部戏。于是，就有了《像雾像雨又像风》里那个深情寡言的阿莱。
2007年，在《潜伏》中，孙红雷对角色余则成的把握既精准到位又游刃有余，平和中不失果断，刚毅而不失柔情，昭示着其演技的重大突破。最终，凭此与张国立同时荣获2009年第27届飞天奖优秀男演员奖。
一路走来，孙红雷的星路比其他人要坎坷许多。他尝尽了人间冷暖，自然也就在等待成功的时刻显得分外从容。从《像雾像雨又像风》中的深情寡言，到《大工匠》中的耿直刚硬；从《征服》中的狡猾专横，到《七剑》中的阴郁狠辣；从《刀锋1937》中的爱恨分明，到《半路夫妻》中的玩世不恭却重情重义，直到《梅兰芳》中邱如白的疯魔，孙红雷成功地诠释了不同的角色，演技日臻成熟。在《潜伏》中，他完全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，让大家对他充满了惊喜。而在主旋律大戏《人间正道是沧桑》中，孙红雷的演技已经可以用炉火纯青来形容了。
孙红雷在评价自己时说：一是沧桑，该经历的都经历了；二是贪婪，像是一块特别能吸收的海绵；三是执著，喜欢将每件事都做到极致，从不放弃。是的，人生有许多成功的机会，但也有许多吃苦受难的考验，要不顾一切地抓住机会，竭尽全力做好它，并接受艰难的洗礼，才会成为生活的主角，拥有光辉的未来。
