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2月，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6月15日，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11月10日至18日，参演的国家大剧院新制作话剧《基督山伯爵》上映。
2021年7月5日，主演电视剧《妻子的选择》。
2006年两人育有一女黄忆慈，小名多多，2013年8月孙莉再次怀孕。2017年5月27日，孙莉与黄磊的第三个孩子出生。
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）
2021年7月，黄磊孙莉夫妇为河南暴雨灾情捐款100万元。