2000年，孙艺珍凭借奇幻悬疑片《秘密》初登大银幕，虽然影片口碑不佳，但正式开启了她的表演之路。

2001年，孙艺珍与苏志燮、郑俊、苏幼贞等共同主演了由朴成洙执导的都市爱情剧《美味美爱》，扮演热衷于烹饪的富家千金“希艾”；8月20日，主演的爱情剧《善姬与真姬》首播，孙艺珍扮演性格活泼、开朗，待人坦诚的“申善姬”，凭借该剧获得MBC演技大赏新人女演员奖。

2002年，与崔岷植、安圣基合作，主演了由林权泽执导的传记电影《醉画仙》，她在片中饰演美丽端庄的李府千金“晓芸”，这是孙艺珍首次担任电影主演，影片获得第55届戛纳国际电影节最佳导演奖，这也为孙艺珍带来了更多的关注； 8月15日，孙艺珍与车太贤、李恩珠合作主演的爱情电影《向左爱向右爱》上映，她在片中扮演温柔婉约、善良又多愁善感的“秀仁”，凭借该片荣获第22届韩国影评奖最佳女新人奖。

2003年1月30日，与曹承佑、赵寅成等共同主演的爱情电影《假如爱有天意》上映，孙艺珍饰演初恋遭遇巧妙地相似的母女“宋珠喜”和“尹梓希”，由此获得了第39届韩国百想艺术大赏电影类最佳新人女演员奖和第40届韩国电影大钟奖最佳新人女演员奖；7月7日，搭档宋承宪主演的爱情电视剧《夏日香气》首播，孙艺珍在剧中出演清纯开朗的女孩“沈惠媛”。

2004年，和郑雨盛搭档，主演了由李宰汉执导的爱情电影《我脑海中的橡皮擦》，孙艺珍饰演有着非常严重健忘症的富家女“秀真”，影片上映后观影人次突破200万，位列韩国年度电影票房第五，在日本公映时票房也超过了三十亿日元，打破了韩国电影在日上映票房记录。

2005年9月7日，与裴勇俊搭档主演的爱情电影《外出》上映，孙艺珍在片中扮演遭到丈夫背叛的普通人妻“舒英”，该片打破韩影《我脑海中的橡皮擦》日本票房纪录，创下了韩国电影在日本上映的最高票房纪录。孙艺珍还凭借该角色首次入围第26届韩国青龙电影奖最佳女主角奖，并获得了第51届亚太电影节最佳女主角奖；12月22日，孙艺珍与宋一国合作的爱情电影《搭讪的法则》上映，她在片中饰演相貌出众的个人高级理财师“韩智媛”，由此获得了第15届中国金鸡百花电影节最受中国观众喜爱的女演员奖。

2006年，孙艺珍搭档甘宇成，以每集高达2500万韩元的片酬接拍并主演了由韩智承执导的爱情电视剧《恋爱时代》，成为当时韩剧片酬最高的女演员，其饰演性格开朗、却又固执害怕受伤害的“俞恩郝”，凭此角色获得了第43届韩国百想艺术大赏电视剧最佳女主角奖。

2007年1月25日，由李成康执导的奇幻动画电影《千年狐》上映，孙艺珍为片中的千年狐“优比”配音。

2008年1月10日，与金明敏、金海淑联袂主演的动作悬疑电影《无防备都市》上映，孙艺珍变身性感美艳的国际偷窃集团头目“白蔷薇”；10月23日，孙艺珍与金柱赫、朱相昱等领衔主演的爱情喜剧片《妻子结婚了》上映，她在片中饰演明明是已婚，却又要和别的男人结婚的无法无天的妻子“仁雅”，由此获得了第29届韩国电影青龙奖最佳女主角奖和第45届韩国百想艺术大赏电影类最佳女主角奖。

2009年，搭档韩石圭、高洙，主演了由朴信宇执导的悬疑电影《白夜行》，孙艺珍扮演拥有矛盾性格和悲惨童年的“柳美皓”。 荣获第1届首尔文化艺术大奖电影部门大奖、2010年度亚洲制片人协会大典(简称APN)亚洲年度电影人奖和第31届韩国青龙电影奖人气奖等。

2010年，孙艺珍与李敏镐领衔主演了由孙亨锡、卢宗灿联合执导的都市爱情剧《个人取向》，饰演开朗纯真、做事冲动性的家具设计师“朴开仁”。

2011年，与李民基、朴哲民合作，主演了由黄仁浩执导的爱情喜剧片《我的见鬼女友》，孙艺珍出演能够看见鬼魂的惆怅女子“姜予丽”。 这部突破300万观影人次的小成本惊悚喜剧电影，足以见得孙艺珍选片独到和票房号召力。

2012年，孙艺珍与薛景求、金相庆等领衔主演了由金志勋执导的3D灾难动作电影《摩天楼》，她在片中饰演在火灾现场依旧保持冷静的中餐厅经理“徐允熙”。影片最终票房突破500万观影人次。

2013年5月27日，与金南佶合作主演的都市情感剧《鲨鱼》首播，孙艺珍出演充满强烈自尊心的首尔地检检察官“赵海雨”；10月24日，与金甲洙搭档主演的惊悚电影《共犯》上映，孙艺珍因饰演幸福快乐的记者志愿生“郑多恩”而入围第35届韩国青龙电影奖最佳女主角奖。

2014年，孙艺珍与金南佶、刘海镇等领衔主演了由李石勋执导的古装动作片《海盗》，片中孙艺珍饰演在大海中呼风唤雨的海盗首领“如月”，影片票房达860万观影人次，位列韩国票房年度榜单第三位。孙艺珍也凭借该片提名第51届百想艺术大赏电影类最佳女主角和第51届韩国电影大钟奖最佳女主角奖，并获得了第51届韩国电影大钟奖最佳女主角奖。实现个人影后大满贯。

2015年，与陈柏霖、乔振宇、申贤俊合作，出演了由冯小刚、姜帝圭联合监制，孙皓执导的动作喜剧电影《坏蛋必须死》，饰演身藏秘密的公司职员“智妍”。

2016年6月23日，搭档金柱赫、金昭希、辛知勋主演的惊悚悬疑电影《没有秘密》上映，孙艺珍在片中饰演个性独立又坚强的母亲“金妍红”，并凭借该角色荣获第25届韩国釜日电影奖、第36届韩国影评奖最佳女演员奖、第17届釜山电影评论家协会奖最佳女主角、第17届年度女性电影人奖最佳演技奖和2017春史电影奖最佳女主角等多个奖项； 8月10日，与朴海日联袂主演的人物传记电影《德惠翁主》上映，孙艺珍出演朝鲜高宗李熙的女儿“德惠翁主”，由此提名第37届韩国青龙电影奖最佳女演员奖、第53届韩国电影大钟奖最佳女主角和第53届百想艺术大赏电影最佳女主角，并获得了第53届韩国电影大钟奖最佳女主角奖，第53届百想艺术大赏电影最佳女主角，以及2016年度电影奖最佳女主角等多项大奖。

2017年，与苏志燮共演爱情电影《现在，很想见你》，该片于2018年3月上映，并在上映第7天突破了100万观影人次，这是历年3月上映的韩影里的最好成绩。孙艺珍凭借此片提名第54届韩国百想艺术大赏电影类最佳女主角。

2018年3月，搭档丁海寅合作主演电视剧《请吃饭的漂亮姐姐》，饰演咖啡公司卖场超级采购员尹珍雅，时隔5年回归电视荧幕。

2019年12月，搭档玄彬合作主演tvN浪漫爱情剧《爱的迫降》，饰演韩国上位圈1%的财阀继承女尹世丽。