孙莉于1977年7月18日出生在辽宁省大连市，在中学阶段，她曾进入北京舞蹈学院附中系统地学习中国古典舞，这段经历为她奠定了扎实的舞蹈基础与艺术素养。完成附中的学业后，她凭借出色的表现与成绩，成功考入北京电影学院，继续在表演领域进行深造与拓展。
一九九九年九月二十七日，由孙莉客串出演的古装神话剧《菩提达摩传奇》正式与观众见面，她在该剧的第三单元里饰演了名为双环的角色，这次演出标志着孙莉正式踏入了演艺圈的发展道路；紧接着在同年的十月三日，她首次担纲主演的个人电影作品《操心家长》也登上了银幕，孙莉在片中塑造了一位班主任兼数学老师的形象，这位老师由于在学生家长面前的表现未能达到预期，因而遭遇了一系列的刁难与挑战。
在千禧年之际，孙莉与徐怀钰、郭晋安共同出演了古装神话剧《天地传说之鱼美人》，她在剧中塑造了宰相之女金牡丹这一角色。金牡丹与张子游早有婚约，却因无法挣脱命运的摆布，最终走向了令人唏嘘的悲剧结局。同年，她亦在电视剧《浪漫之旅》中短暂亮相，饰演了名为思琪的角色。进入2001年，1月1日，由孙莉参演的电视剧《背叛》正式播出，她在此剧中扮演了思怡；此外，她还投身于一部古装剧《杨门女将》的拍摄，饰演了与杨家七郎私定终身、性格刚烈的女子杜金娥；随后，她更挑大梁主演了一部侦探悬疑剧《神探科蓝》，在剧中成功诠释了那位外表美丽、内心坚韧的女护士林浩颖。2002年，孙莉出演了古装武侠剧《书剑恩仇录》，她所饰演的李沅芷机智伶俐、活泼灵动，这一角色为她赢得了观众更为广泛的关注与喜爱。到了2003年，她的演艺事业持续发力，接连参与了包括《醉无敌》、《似血残阳》以及《醉拳》在内的多部影视作品，通过这些角色展现了其塑造不同性格人物的多样潜力。2005年1月24日，在由胡歌、刘亦菲领衔主演的古装仙侠玄幻剧《仙剑奇侠传》中，孙莉化身女娲族后裔林青儿，其表演深入人心。2006年，她领衔主演了李国立执导的古装神话单元剧《聊斋奇女子之宦娘》，饰演因戏生情、爱上小生温如春的赵宦娘；紧接着，在丈夫黄磊执导的电视剧《夜半歌声》里，她饰演了与男主角彼此倾心、情感细腻的于歌；此后，她又陆续出演了《蒲公英》、《天一生水》等作品，成功塑造了一系列性格迥异、令人印象深刻的角色；同年，她还在另一部古装神话单元剧《聊斋奇女子之宦娘》中再次饰演赵宦娘，并加盟话剧《暗恋桃花源》，挑战了云之凡这一经典舞台形象。2010年6月14日，孙莉主演的一部年代剧《再见艳阳天》与观众见面，她在剧中生动演绎了淳朴善良、命运曲折的农家女孩谢秀巧。
2014年6月20日，丈夫黄磊携女儿共同参与了亲子类综艺节目《爸爸去哪儿第二季》的录制，孙莉也以特邀嘉宾的身份现身其中，在节目镜头前，她与女儿之间自然温馨的日常互动得到了生动展现。2015年6月14日，孙莉盛装出席了《2015星光上海—华谊ELLE之夜》时尚庆典活动；同年9月22日，她出镜参演了由导演黄迪执导的纪实作品《我们相爱时·20年》，该片以细腻的笔触记录并讲述了她与丈夫黄磊从相识到相守长达二十年的情感历程。2017年5月11日，在黄磊首度自导自演的喜剧电影《麻烦家族》中，孙莉饰演了角色丁雁，为影片增添了鲜明的一笔。2019年4月26日，孙莉作为飞行嘉宾加入了由黄磊与何炅共同主持的生活服务类综艺节目《向往的生活第三季》，并在节目现场即兴演绎了一段精简版的话剧表演，展现了其舞台功底。2020年4月28日，由她担任导演的综艺节目《创造营奇幻夜》正式于腾讯视频上线播出；也在同一年，于国家大剧院隆重上演的话剧《基督山伯爵》中，孙莉担纲饰演了美茜苔丝一角，她凭借精湛而充满张力的演出，成为当晚舞台上备受瞩目的亮点之一。2022年6月6日，由孙莉领衔主演的电视剧《妻子的选择》在多家主流视频平台同步播出，她在剧中塑造的方糖一角，面对丈夫难以言说的秘密，其内心世界的挣扎与转变刻画得极为细腻，呈现了复杂而富有层次的情感脉络；随后在12月6日，她主演的肢体剧场作品《樱桃园》于乌镇戏剧节正式亮相，以独特的艺术形式吸引了众多观众。2023年4月19日至4月22日，孙莉参演的话剧《樱桃园》登陆国家大剧院进行多场演出，她在剧中饰演了关键人物柳苞芙，贡献了令人印象深刻的表演；同年8月10日至13日，由她与倪大红共同领衔主演的话剧《安魂曲》在北京保利剧院成功上演；也是在这一年8月，风火石文化发展（北京）有限公司发生了工商信息变更，孙莉新增为公司监事，涉足相关业务管理领域。
在一九九五年，当时在北京电影学院担任助教的黄磊，于迎接新生入学时对孙莉一见倾心，两人由此开启了一段浪漫的恋情。经过长达九年的甜蜜相守，他们最终在二零零四年三月八日正式登记结婚，携手步入了人生的新阶段。两年后，这个温馨的小家庭迎来了他们的第一个爱情结晶——女儿黄忆慈，她可爱的小名“多多”也为生活增添了无数欢乐。时光流转，到了二零一三年八月，孙莉再度传出怀孕的喜讯。二零一五年，恰逢黄磊与孙莉相爱二十周年的重要纪念，黄磊特意为妻子补办了一场温馨的婚礼并重新拍摄了婚纱照，当时一家四口共同拍摄的全家福，画面中洋溢着满满的幸福与美满。此后，这个家庭继续茁壮成长，在二零一七年五月二十七日，孙莉与黄磊的第三个孩子平安降临人世，为他们的生活带来了新的喜悦与圆满。
2021年7月21日，河南省遭遇了历史罕见的特大暴雨灾害，这一灾情迅速牵动了全国人民的心。面对严峻的防汛形势，社会各界纷纷伸出援手，其中演员黄磊与孙莉夫妇积极响应，通过相关渠道向河南灾区捐赠了100万元人民币。这笔善款不仅体现了他们对受灾群众的深切关怀，也以实际行动为当地的紧急救援与灾后重建工作提供了宝贵的支持。此后，他们的公益步伐并未停歇，2023年3月30日，黄磊和孙莉再度携手缘梦公益基金会，向“帮被拐孩子回家”这一专项公益项目捐赠了100万元。在捐赠过程中，夫妇二人明确表达了对于打击拐卖犯罪、促进家庭团圆事业的长久关注，并承诺将持续助力反拐工作，为无数离散家庭重聚贡献自己的力量。同年8月8日，当京津冀地区面临严重的防汛救灾压力时，黄磊与孙莉夫妇又一次通过缘梦公益基金会捐出100万元，专项用于支援该区域的抗洪抢险及灾民安置工作。直至2025年1月7日，西藏日喀则市定日县发生6.8级强烈地震，孙莉女士亦迅速行动，为前线救援行动提供了及时的资金支持，再次展现了他们对社会危难时刻的担当与奉献精神。黄磊和孙莉夫妇多年来通过一系列公益项目进行捐款，这些善举不仅反映了他们作为公众人物的社会责任感，也持续传递着温暖与正能量。
在电视剧《再见艳阳天》中，孙莉对秀巧这一角色的诠释可谓细致入微，她将人物内心深处那份与生俱来的柔弱感把握得恰到好处。尽管不少观众认为孙莉自身气质偏于优雅贵气，与传统印象中朴实无华的农家女子形象存在一定距离，但得益于其细腻传神的演技，大家依然逐步接纳并认可了她对角色所进行的独特塑造。孙莉本人性格温柔沉静，在片场休息时常常安安静静地待在一旁，即便展露笑容也带着几分含蓄温婉的小家碧玉气质，这与她活泼外向的丈夫黄磊形成了鲜明对比。正是这种内敛的个人特质，让她在演绎《方糖》中的女主角时显得格外从容自如。方糖这个角色没有过于夸张的肢体动作或戏剧化的台词，她的性格是沉稳、克制且思维缜密的。因此，孙莉在表演中刻意避免了过度渲染，转而采用一种极其生活化、自然流畅的演绎方式，通过细微的神情变化和举止细节，将方糖那种喜怒不形于色、从容自信又优雅淡定的气质层次分明地呈现出来。这种处理不仅使人物形象更加真实可信，也让角色整体显得丰满而立体，给观众留下了深刻印象。