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。
2001年，在风靡一时的电视剧《征服》里，孙红雷凭借饰演的黑帮老大以其“凶狠”、“霸气”和“狂妄”，为他赢得了内地娱乐圈“第一硬汉”的美誉；2004年，孙红雷凭借《军歌嘹亮》中高大山一角获得了当年金鹰奖最佳男演员奖提名和中国电视界最受大众欢迎十佳演员奖；2006年，孙红雷和陈小艺主演的电视剧《半路夫妻》夺得当年收视率之冠。
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。