孙茜曾经是武警部队的一名女兵。离开部队后孙茜考取了中国传媒大学（原北京广播学院）表演系，毕业后进入北京人民艺术剧院工作。在北京人艺，孙茜先后参演了《骆驼祥子》《日出》《北京人》《小井胡同》等经典剧目。2013年，孙茜在院庆大戏《甲子园》中饰演女主角陈爱林，并获得了当年的话剧表演学院奖最佳主角。
2004年，参演首部电视剧《逆水寒》；2005年，参演电视剧《马鸣风萧萧》。
2008年，在电视剧《爱在战火中》中饰演女主角“兰花花”；11月，参演的电视剧《母仪天下》播出。
2009年，参演电视剧《雾柳镇》饰演热辣叛逆的女土匪“小妹”。2010年6月，参演刘小锋主演电视剧《尖刀》在山东、云南、河南、陕西四家卫视同步播出，饰演女主角万淑芬；12月，参演胡军主演电视剧《金婚风雨情》，在剧中饰演胡军的妹妹耿玲；在电影《给我一支枪》中饰演女主角雨婷，这是她的首部电影作品。2011年，在电影《铁血丹心》中饰演宋庆龄。
2012年3月，由孙俪、陈建斌等主演的古装剧《后宫甄嬛传》开播，孙茜在剧中饰演崔槿汐一角，温婉智慧的槿汐姑姑给观众留下了深刻印象；7月，参演的电视剧《三进山城》播出，孙茜出演女特工钱华；9月，在《长白山下我的家》里饰演善良贤淑的金贞淑；12月，在与冯远征、杨立新主演的电视《怪医文三块》里饰演泼辣的北京大妞儿车菊花。
2014年1月，参演由孙红雷、海清主演的战争大戏《二炮手》，在剧中饰演杨巧儿。3月，主演都市情感电视剧《婚战》，与王志飞搭档夫妻，饰演妇产科医生谢婉婷。5月，与刘小锋、蒋勤勤主演的电影《一号目标》上映，在片中饰演红色女特工何海宁。
2015年11月30日，出演由郑晓龙导演指导的电视剧《芈月传》，饰演向氏一角。
2016年4月，客串重大革命历史题材电视连续剧《红星照耀中国》，饰演上海地下党政治局办事处负责人朱端绶。11月，参演的电影《一句顶一万句》上映，在片中饰演章楚红。同年，参演电视剧《识汝不识丁》，饰演陈文帝的皇姐陈婧。
2019年2月4日，在2019年中央广播电视总台春节联欢晚会上，孙茜与尚大庆、李文启、黄晓娟、佟大为、杨紫、王自健、李闯表演小品《站台》。
2020年8月5日，搭档孟浩强主演的当代农村剧《枫叶红了》播出。
2021年2月11日，参加《2021年中央广播电视总台春节联欢晚会》，与李文启、黄晓娟、尚大庆、佟大为、王丽坤、秦昊、王砚辉、王圣迪、娄艺潇一同表演小品《阳台》；2月26日，参加《2021年中央广播电视总台元宵晚会》，与李文启、尚大庆等演唱歌曲《卖汤圆》；5月15日，联合主演的重大历史革命题材电视剧《中流击水》在CCTV1、央视频同步播出；10月2日，参演的电视剧《功勋》之《默默无闻张富清》播出。12月27日，参演的电影《生死速度》定档；参演电影《穿过寒冬拥抱你》。
2022年4月7日，参演的北京师范大学形象艺术片《无负今日》正式启动。
2012年3月22日晚，蔡远航在北京世贸天阶巨幕下向孙茜求婚。
2013年，孙茜和蔡远航领取结婚证；8月4日，两人在北京某五星级酒店举行婚礼，春妮担任主持人，濮存昕担任主婚人，蓝天野、冯远征夫妇、郑晓龙夫妇、孙俪、胡军、朱军、梁天、英壮、李艾、李菁等出席，艺术家蓝天野作为新郎的家长出席。
2016年8月26日，孙茜在微博晒出几张自己和老公的童年旧照，其中还有一张B超图，上面是一个小小的胎儿。
2017年2月15日，孙茜于美国诞下男婴，成功升级成为幸福妈妈。
2019年11月，孙茜、蔡远航夫妇甜蜜做客《为爱下厨》，走近渔民家的生活，分享了属于他们家的温情故事。
2021年12月29日，当选中国电视艺术家协会演员工作委员会委员。
孙茜在《甄嬛传》中饰演的“槿汐姑姑”端庄大气、机智聪慧，端庄稳重，表演到位又不抢戏，把“甄嬛党”的气场做到恰如其分，得到观众对她演技的认可与支持（新华娱乐、搜狐娱乐评）。
孙茜为人单纯善良、作风朴实（敦淇评价）；孙茜在剧中礼仪最到位 ，是一个塑造能力特别强的演员（郑晓龙评价）；孙茜是个特别善良的女孩，爱花，爱草，爱动物，更爱人（孙俪评价）。