孙茜曾经是武警部队的一名女兵。离开部队后孙茜考取了中国传媒大学(原北京广播学院)表演系,毕业后进入北京人民艺术剧院工作。在北京人艺,孙茜先后参演了《骆驼祥子》《日出》《北京人》《小井胡同》等经典剧目。2013年,孙茜在院庆大戏《甲子园》中饰演女主角陈爱林,并获得了当年的话剧表演学院奖最佳主角。
2004年,参演首部电视剧《逆水寒》;2005年,参演电视剧《马鸣风萧萧》。
2008年,在电视剧《爱在战火中》中饰演女主角“兰花花”;11月,参演的电视剧《母仪天下》播出。
2009年,参演电视剧《雾柳镇》饰演热辣叛逆的女土匪“小妹”。2010年6月,参演刘小锋主演电视剧《尖刀》在山东、云南、河南、陕西四家卫视同步播出,饰演女主角万淑芬;12月,参演胡军主演电视剧《金婚风雨情》,在剧中饰演胡军的妹妹耿玲;在电影《给我一支枪》中饰演女主角雨婷,这是她的首部电影作品。
2011年,在电影《铁血丹心》中饰演宋庆龄。
2012年3月,由孙俪、陈建斌等主演的古装剧《后宫甄嬛传》开播,孙茜在剧中饰演崔槿汐一角,温婉智慧的槿汐姑姑给观众留下了深刻印象;7月,参演的电视剧《三进山城》播出,孙茜出演女特工钱华;9月,在《长白山下我的家》里饰演善良贤淑的金贞淑;12月,在与冯远征、杨立新主演的电视《怪医文三块》里饰演泼辣的北京大妞儿车菊花。
2014年1月,参演由孙红雷、海清主演的战争大戏《二炮手》,在剧中饰演杨巧儿。
2014年3月,主演都市情感电视剧《婚战》,与王志飞搭档夫妻,饰演妇产科医生谢婉婷。
2014年5月,与刘小锋、蒋勤勤主演的电影《一号目标》上映,在片中饰演红色女特工何海宁。
2015年11月30日,出演由郑晓龙导演指导的电视剧《芈月传》,饰演向氏一角。
2016年4月,客串重大革命历史题材电视连续剧《红星照耀中国》,饰演上海地下党政治局办事处负责人朱端绶。11月,参演的电影《一句顶一万句》上映,在片中饰演章楚红。
2019年2月4日,在2019年中央广播电视总台春节联欢晚会上,孙茜与尚大庆、李文启、黄晓娟、佟大为、杨紫、王自健、李闯表演小品《站台》。