孙淳于上海戏剧学院毕业后，被分至峨嵋电影制片厂；同年在《锅碗瓢盆交响曲》中饰经理牛宏一角。

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。

1995年，在张艺谋执导、巩俐主演的电影《摇啊摇，摇到外婆桥》中饰演宋二爷。

1998年，参演电视剧《大法庭》和《警坛风云》。

2003年4月，参演张黎执导的电视剧《走向共和》，饰演袁世凯，为了形象接近人物，孙淳增肥12斤。

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。

2010年，搭档陈小艺出演电视剧《说好不分手》。

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“翟恩”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。

2016年，参演古装剧《琅琊榜之风起长林》。

2017年，孙淳以高票荣获“2017中国电视好演员”红宝石奖。

2018年，参演央视大型文博探索节目《国家宝藏》、全球时尚文化竞技节目《时尚大师》。

2019年12月20日，主演的都市律政剧《精英律师》开播。