早年经历
1989年，10岁的孙艺菲考上北京舞蹈学院附中，专业是芭蕾舞。1996年毕业，分配到广州芭蕾舞团。1998年，孙艺菲离开广州，到北京电影学院表演系进修，1999年考入北京电影学院表演系本科班。
演艺经历
2000年，参演黄渤、高虎主演的电视电影《上车，走吧》，该片获得金鸡百花奖的最佳电视电影奖，这是她的首部影视作品。
2001年，参演陈建斌主演的电影《致命的一击》，获得金鸡百花最佳女配角提名。
2003年，与海清、何冰主演反映改革开放初期我国知识分子命运和生活的电视剧《书香门第》，饰演寒雪一角。
2005年9月，与魏子、邵兵主演电影《日出日落》，出演葵花一角，获得了加拿大蒙特利尔电影节特别贡献奖。
2006年，参演马跃、苗圃主演的电视剧《贞观之治》，饰演“文成公主”；与陈宝国、连奕名联合主演腾文骥执导的电视剧《烈日炎炎》，孙艺菲饰演新疆开拓兵团的女兵“春玲”。
2009年，与严宽、甘婷婷主演张自强执导的电视剧《生死迷局》。
2010年4月，与小宋佳主演电视剧《大女当嫁》，饰演“拜金女”姜小云；与陈小艺、王同辉等主演《漂亮女人》；主演检察官涉案刑侦题材电视剧《最后防线》；主演谍战题材悬疑剧《生死迷局》，饰演归国留学的心理医生杜莎莎。
2012年5月，在吴秀波、海清、张嘉译主演的电视剧《心术》中饰演刘娟一角。