1989年，10岁的孙艺菲考上北京舞蹈学院附中，专业是芭蕾舞。1996年毕业，分配到广州芭蕾舞团。1998年，孙艺菲离开广州，到北京电影学院表演系进修，1999年考入北京电影学院表演系本科班

1989年-2001年，出演芭蕾舞剧《天鹅湖》、《胡桃夹子》、《茶花子》、《玄风》等，以及话剧作品《小井胡同》、《暗恋桃花源》、《一个死者对生者的访问》、《家》等。

2000年，参演黄渤、高虎主演的电视电影《上车，走吧》，该片获得金鸡百花奖的最佳电视电影奖，这是她的首部影视作品。

2001年，参演陈建斌主演的电影《致命的一击》，获得金鸡百花最佳女配角提名。

2002年，参考电视剧《救赎》饰女一号楚玉；在20集电视系列剧《中国刑警之英雄本色》里饰演女一号格日勒；同年，在电视剧《玲珑女》中饰演女主角白凤音。

2003年，与海清、何冰主演反映改革开放初期我国知识分子命运和生活的电视剧《书香门第》，饰演寒雪一角，并因该剧获2004年电视双十佳提名奖；同年，在电影《非一般武警》饰女二号小贾；在30集电视剧《都是装修惹的祸》之“单元”饰女主角霏霏；20集电视剧《我不是羔羊》饰演女一号杜娟。

2004年，在30集电视剧《德龄公主》中饰演女主角容龄。

2005年9月，与魏子、邵兵主演电影《日出日落》，出演葵花一角，获得了加拿大蒙特利尔电影节特别贡献奖。

2006年，参演马跃、苗圃主演的电视剧《贞观之治》，饰演“文成公主”；与陈宝国、连奕名联合主演腾文骥执导的电视剧《烈日炎炎》，孙艺菲饰演新疆开拓兵团的女兵“春玲”。

2007年，由她主演的《你是苹果我是梨》登陆中央电视台八套黄金档期。

2009年，与严宽、甘婷婷主演张自强执导的电视剧《生死迷局》。

2010年4月，与小宋佳主演电视剧《大女当嫁》，饰演“拜金女”姜小云；与陈小艺、王同辉等主演《漂亮女人》；主演检察官涉案刑侦题材电视剧《最后防线》；主演谍战题材悬疑剧《生死迷局》，饰演归国留学的心理医生杜莎莎。

2012年5月，在吴秀波、海清、张嘉译主演的电视剧《心术》中饰演刘娟一角。

2014年8月，孙艺菲作客《时尚家居》晋升都市软装师。

个人类

• 2003电视电影双十佳书香门第（提名）
• 2001金鸡百花最佳女配角致命的一击（提名）

集体类

• 2005加拿大蒙特利尔电影节特别贡献奖日出日落（获奖）
• 2001最佳电视电影百合奖，金鸡百花最佳电视电影奖上车，走吧（获奖）

孙艺菲外形娇小玲珑，有着一双大眼睛，舞蹈功底深厚，受到界内人士的好评；镜头上的孙艺菲演技真实，没有矫揉造作，更是零绯闻的女星。

孙艺菲在荧幕上一直扮演着好女人的角色，坚强、直爽，骨子里透出朴实无华。