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,主演高希希导演青春家庭情感成长剧《你好,昨天》,在剧中饰演小吉街少女周莉姿;12月6日,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》。