2013年，孙伊涵参加了以“美丽世界·梦想中国”为主题的第六届新面孔中国模特大赛，获得中国模特大赛总决赛季军。

2014年4月，孙伊涵参加全国职业院校技能大赛模特表演赛，获得了模特服装表演项目和平面模特展示项目的一等奖；12月19日，参与录制综艺节目《天天向上》。

2015年6月15日，孙伊涵出席了华谊ELLE之夜的五周年庆典，并参与了庆典的特别节目LOL公益对抗慈善赛；12月27日，孙伊涵受邀出席第四届搜狐时尚盛典，获得“年度最美女人”奖。

2016年，主演青春校园电影《我心雀跃》，在片中饰演一个在青春期藏不住懵懂情愫的高中生刘唯唯，她则凭借该片获得了第十九届上海国际电影节亚洲新人奖的提名、第十届西宁First青年电影展最佳演员奖、第十一届华语青年影像论坛年度最佳女演员奖；12月，与郭富城、冯绍峰等合作出演魔幻爱情喜剧电影《西游记女儿国》，在片中饰演女儿国的护国大将军羊脂。

2017年1月，与邓超、彭于晏、赵丽颖等合作出演喜剧电影《乘风破浪》，在片中饰演与罗力有段苦涩感情的松子；10月，凭借电影《我心雀跃》，获得第二届意大利中国电影节最佳女演员奖 ；11月，在根据神尾叶子漫画《花样男子》改编的青春言情偶像剧《流星花园》中饰演女神般存在的滕唐静。

2018年8月，与张瀚生等合作主演爱情偶像剧《你敢求婚我敢嫁》，在剧中饰演面对爱情敢爱敢恨，面对事业从不服输的职场女性方糖。

2019年9月，主演由高希希执导的青春家庭情感剧《你好，昨天》，在剧中饰演小吉街少女周莉姿；12月，主演根据马伯庸悬疑惊悚小说《她死在QQ上》改编的恐怖惊悚电影《网络凶铃》。

2020年，主演情感悬疑剧《双镜》；6月，主演都市剧《孤独的野兽》，在剧中饰演实习律师隋意；9月，主演都市剧《乔家的儿女》