2004年，孙俪出演《一米阳光》、《红粉世家》、《风雨西关》、《血色浪漫》等多部电视剧，她参演的影视作品较多是年代戏中的偶像剧。
2005年，孙俪出演电视剧《幸福像花儿一样》，在此剧中认识丈夫邓超；同年还参演了《
天和局》。
2006年，孙俪首次出演现代偶像剧《屋顶上的绿宝石》。同时，她还寻求影坛方面的发展，参演了与李连杰合作的《
霍元甲》，凭此片获第28届大众电影百花奖最佳新人奖；9月5日，出任丽江市城市形象代言人。
2007年，孙俪出演电视剧《
新上海滩》的冯程程，还参演了《一世情缘》；同年，入围第3届“全国十大社会公益之星”的名单。
2008年，孙俪与邓超以荧幕情侣档出演电视剧《
甜蜜蜜》；同
年参与陈嘉上导演的电影《
画皮》饰演夏冰；7月参演汶川地震公益短片《2008分之一》；9月1日北京残奥会圣火在上海传递，孙俪成为第57棒火炬手。
2009年，孙俪出演严歌苓小说改篇的电视剧《小姨多鹤》，剧集因中日题材问题未能在卫视台播放。后又参演了外语拍摄的电影《金山》，《金山》未能够在国内放映，后来却获得两个奖项――罗马故事电影节最佳女主角奖和加拿大双子星奖最佳女主角奖。同年还参演了刘镇伟导演的电影《
机器侠》。
2010年，孙俪出演刘镇伟导演的电影《
越光宝盒》，拍摄了刘镇伟导演的电影《天仙奇缘》（又名《
大话天仙》）进度一半时因片方撤资而停拍。
2011年，孙俪出演电视剧《后宫甄执》，在剧中饰演甄郑因其在《甄执》里的演技，孙俪获得2012年国剧盛典最佳女主角，并获得两项提名，上海杜莎夫人蜡像馆也为她在戏中“皇太后”造型塑造蜡像。同年参演了与麦兆辉、庄文强导演合作的《
关云长》及陈嘉上导演的《
画壁》。
2013年，孙俪出演电视剧《辣妈正传》，在剧中饰演女主夏冰。
2014年2月，孙俪主演的电影《大话天仙》上映。6月，因电视剧《辣妈正传》荣获第20届上海电视节"白玉兰奖"最佳女演员奖。8月，孙俪产后复出拍摄郑晓龙导演的新剧《
芈月传》。10月，孙俪再因电视剧《辣妈正传》荣获第27届金鹰奖最具人气女演员奖。
2015年9月，邓超兼任导演和主演的电影《
恶棍天使》揭开女主角面纱，孙俪饰演查小刀，影片定档12月24日上映。
