2007年，参演了金鳌勋执导的电视剧《绣娘兰馨》，在剧中饰演“阿朗”一角；还参演了徐进良执导的电视剧《魔剑生死棋》，在剧中饰演“箭隐”一角。同年，参演《明星制造》节目，获得上海市小节目评比展演节目奖。
2009年，开始与娄艺潇、陈赫、王传君等人联袂主演韦正执导的系列都市爱情喜剧《爱情公寓》，在剧中饰演了一个四处留情的花花公子“吕子乔”。同年，参演了李平执导的电视剧《黛玉传》，在剧中饰演“贾芸”一角。
2010年，参演了柳国庆执导的电视剧《上海迷案1937》，在剧中饰演“施玉泉”一角。
2011年，参演的网络剧《钱多多嫁人记》在搜狐网播出。同年，参演王小康执导的电视剧《钱多多嫁人记》，在剧中饰演“马文”一角。
2012年8月10日，与王传君、卓文萱主演的校园青春偶像剧《爱情是从告白开始的》在安徽卫视、陕西卫视、湖北卫视黄金档播出，并在剧中饰演为人低调且成绩优异的“欧皓辰”；该剧播出期间百度指数搜索量达到85万，网络点击量也突破3亿。同年，参演的周播剧《刷新3+7》之《骗不了》在东方卫视播出。
2013年，孙艺洲与安以轩主演的由陈铭章执导的都市爱情电视剧《全民公主》播出，并在剧中饰演“余子浩”一角；该剧颠覆了偶像剧的叙事节奏，开播前两集男女主人公就相爱。
2014年4月22日，孙艺洲与刘诗诗、吴奇隆主演的都市爱情商战电视剧《步步惊情》在浙江卫视播出，并饰演康氏集团的继承人“康司瀚”一角；而孙艺洲则凭借该剧获得2014年国剧盛典“最具潜质演员”奖。同年，与李菲儿、范明主演的家庭喜剧《奇葩一家亲》在江苏卫视播出。
2015年2月6日，参演的喜剧片《一路惊喜》在中国内地上映。7月16日，参加的真人秀《我去上学啦第一季》在东方卫视播出。10月27日，孙艺洲与李晟、马天宇主演的都市情感剧《绯闻女友》在湖南娱乐频道播出。11月29日，孙艺洲参演了根据同名动画改编的古装奇幻武侠剧电视剧《秦时明月》，在剧中饰演了充满野心和霸气的“卫庄”。12月11日，参演的电影《北京时间》在中国内地上映。同年，他还参演了都市爱情剧《面包树上的女人》。
2016年5月3日，主演改编自风弄同名小说的古装剧《孤芳不自赏》饰演何侠。5月9日，主演的暖心励志时尚爱情剧《柠檬初上》在江苏卫视播出，剧中饰演暖男“郑磊”。6月11日，参加的大型实境生存记录节目《我们的法则》在安徽卫视播出。6月17日，战争历险巨制《怒江之战》在腾讯视频独家播出，孙艺洲饰演“赵半括”。
2017年1月3日，孙艺洲与张海宇共同出演情感喜剧《废柴兄弟5泰爽》。1月7日，他加盟的国内首档原创明星冰舞竞技真人秀《跨界冰雪王》在北京卫视播出。4月8日，孙艺洲主演的电影《喜欢你》在北京电影节上映。5月23日晚，孙艺洲参演的国内首档二次元达人秀节目腾讯视频《我爱二次元》上线。11月24日，他加盟的国内首档全景展现赛车手养成计划的真人秀《中国赛车手之菜鸟驾道》在深圳卫视播出。
2018年8月10日，主演的爱情喜剧电影《爱情公寓》全国公映。
2019年10月22日，孙艺洲参演的《谍战深海之惊蛰》首播，剧中饰演权欲至上却爱而不得的周海潮。而孙艺洲则凭借该剧获得2019年国剧盛典“年度飞跃荣誉男演员”奖。12月18日，参加的由中央广播电视总台综艺频道、央视网联合推出的新青年生活分享节目《你好生活》播出。
2020年1月12日，与娄艺潇、李佳航、李金铭领衔主演的都市爱情喜剧《爱情公寓5》在爱奇艺播出，且《爱情公寓5》是爱情公寓系列的最终季。4月29日，参加的由爱奇艺出品的青年社交观察类恋爱综艺《喜欢你我也是 第二季》播出。5月28日，参加的陪伴主题微综艺《新鲜陪伴记》在芒果TV正式上线。6月8日，与雷佳音、张国立、于和伟、周冬雨主演了张艺谋执导的电影《坚如磐石》；12月20日，友情参演的改革开放献礼剧《大江大河2》播出。
2021年3月1日，主演的都市情感剧《爱的理想生活》开播；3月3日，主演的家庭生活轻喜剧《生活万岁》开播。
2022年1月3日，与殷桃领衔主演的两性关系话题剧《幸福二重奏》在央视八套开播。2月1日，参加《春满东方，点亮幸福——2022东方卫视春节晚会》。
