1982年，首次在电影《
见习律师》中担任主角。1986年，在
陈凯歌电影《大阅兵》主演男一号孙放。1992年，在电视剧《
皇城根儿》中饰演
张全义一角。
2009年6月，在孙红雷主演的电视剧《
人间正道是沧桑》中饰演瞿恩一角；10月，主演
孙周执导的谍战影片电影《
秋喜》，饰演国民党特务头子夏惠民，2011年凭借《秋喜》夺得第28届中国电影
金鸡奖最佳男主角奖。
2011年9月，参演电影《
辛亥革命》，再次出演袁世凯，夺得第31届大众电影百花奖最佳男配角奖；同年12月凭借与
蒋雯丽主演的电视剧《
幸福来敲门》，荣获第三届华鼎奖中国电视剧年度杰出成就奖和“2011春季电视剧互联网盛典最佳男演员”的殊荣。
2013年1月，在首届电视剧导演委员会年度评选表彰大会上，孙淳凭借《
人间正道是沧桑》中“瞿恩”获得优秀电视剧男配角和最佳电视剧男配角；3月，与
吴秀波主演的古装电视剧《
赵氏孤儿案》在央视一套黄金时段播出，孙淳在剧中饰演
屠岸贾。
2022年4月11日，国家广电总局重点电视剧《县委大院》公开首批演员阵容，孙淳将参演。12月7日，友情出演的电视剧《
县委大院》正式播出。
2023年1月1日，友情出演的现代都市剧《
纵有疾风起》播出。9月9日，参演的电影《不虚此行》定档上映。
孙淳的妻子是演员
傅丽莉，山东人，是他在上海表演系的同学。孙淳和傅丽莉于2002年合作电视《
换个活法》。