1999年，客串吕良伟、俞小凡主演的古装神话剧《菩提达摩传奇》，在第三单元中饰演双环，自此正式进入娱乐圈；同年主演个人首部电影《操心家长》，在片中饰演黄老师。
2000年，与徐怀钰、郭晋安联合主演古装神话剧《天地传说之鱼美人》，在剧中饰演与张子游有婚约的宰相之女金牡丹；与李亚鹏、蒋勤勤主演侦探悬疑剧《神探科蓝》，在剧中饰演坚强美丽的女护士林浩颖。
2002年，在关咏荷、赵文卓主演古装武侠剧《书剑恩仇录》中饰演脑筋精灵刁转的李沅芷。
2004年，在胡歌、刘亦菲主演的古装仙侠玄幻剧《仙剑奇侠传》中饰演女娲族后裔林青儿。
2006年，领衔主演李国立执导的古装神话单元剧《聊斋奇女子之宦娘》，在剧中饰演爱上小生温如春的赵宦娘。
2008年，孙莉接替袁泉在新版《暗恋桃花源》中饰演云之凡。
2009年，与保剑锋联合主演赖水清执导的年代爱情剧《再见艳阳天》，在剧中饰演出身贫农家庭的姑娘谢秀巧，后退出娱乐圈。
2014年，黄磊携女儿参与亲子节目《爸爸去哪儿第二季》，孙莉也为观众所熟知。
2015年，孙莉出席了《2015星光上海—华谊ELLE之夜》五周年庆典活动。
2017年，在黄磊自导自演的喜剧电影《麻烦家族》中饰演无怨无悔照顾着文家一大家子的成活起居的儿媳丁雁。
2020年，参演的国家大剧院新制作话剧《基督山伯爵》上映。
新再见艳阳天2010-09-28 饰演谢秀巧 导演赖水清 主演保剑锋、吕颂贤、刘雪华
聊斋奇女子之宦娘2008-07-10 饰演宦娘 导演李国立 主演潘粤明、刘晓洁、连凯
夜半歌声2005-11-18 饰演于歌 导演黄磊 主演何润东、徐熙媛、黄磊
仙剑奇侠传2005-01-24 饰演巫后（林青儿） 导演于建福、吴锦源 主演胡歌、刘亦菲、安以轩
蒲公英2004-02-27 饰演夏冰 导演于建福 主演胡歌、关颖、袁弘
天一生水2004-01-01 饰演姜敏怡 导演黄磊 主演黄磊、马伊琍、范冰冰
醉拳2002 饰演聂冰 导演丁仰国 主演张家辉、袁咏仪、吴孟达
书剑恩仇录2002 饰演李沅芷 导演卫翰幍 主演赵文卓、关咏荷、张铁林
杨门女将之女儿当自强2001 饰演杜金娥 导演李国立 主演李若彤、李绮红、郑佩佩
黑三角2001 饰演思怡 导演史晨风 主演孙红雷、柳云龙、胡军
武圣关公2001 饰演桃娘 导演郑克洪 主演李文帅、王英权、黄湘阳
红帆船2001 饰演苏黎 主演赵奎娥、李晓红、左小青
天地传说之鱼美人2000-08-07 饰演金牡丹 导演卫翰韬、郑基成、黄伟明 主演徐怀钰、郭晋安、张智尧
甜蜜风暴2000-03-28 饰演江月 导演赵良骏 主演关咏荷、郭亮、曹卫宇
神探科蓝2000 饰演林皓颖 导演江澄、谢鸣晓 主演李亚鹏、蒋勤勤、庹宗华
浪漫之旅2000 饰演王思琪 导演孔笙、吴奇 主演刘奕君、张佳蓓
菩提达摩传奇1999-07 饰演双环(客串) 导演蒲腾晋、袁英明 主演吕良伟、楼学贤、俞小凡
麻烦家族2017-05-11 饰演丁雁 导演黄磊 主演黄磊、李立群、张伟欣
操心家长1999 饰演黄老师 导演祝君 主演刘莉莉、齐中阳、吕中
荣誉奖项
2009 最健康时尚家庭奖 （获奖）
2008 时尚年度颁奖典礼最具爱心华人女性奖 （获奖）
2008 BQ红人榜年度甜蜜情侣 （获奖）
孙莉在《再见艳阳天》中把秀巧股子里的柔弱演绎的恰到好处，虽然大家觉得孙莉贵气重，不像农家女，但依然接受了角色的改变。（腾讯娱乐评价）
孙莉十分温柔内敛，在片场不演戏的时候总是静静的，即使笑也是小家碧玉型的，跟活泼外向的黄磊俨然两种性格。（新浪娱乐评价）
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