1934年，孙羽出生于吉林省扶余县的一个铁路工人家庭。1947年7月，参加中国人民解放军第四野战军独立五师师部宣传队，担任宣传员。1948年，调入东北行政委员会所属东北文工一团前方队，并参加演出了《血泪仇》、《杨勇立功》等歌剧；同年底，进入东北电影制片厂担任演员。
1950年，与张平、杜德夫联合主演剧情电影《钢铁战士》，在片中饰演在敌人面前机智，勇敢，坚强不屈的小战士刘海泉。1951年，开始在北京电影学院表演班学习，并参演了剧情电影《翠岗红旗》。1955年，由其参演的战争电影《猛河的黎明》上映；12月，调入长春电影制片厂演员剧团，担任演员。
1957年2月，与白德彰等合作主演的战争电影《暴风中的雄鹰》上映；同年，出演由于彦夫执导的剧情电影《芦笙恋歌》。1958年，参演纪录片《宝山之歌》；同年，与张延联袂主演根据峻青同名小说改编战争电影《黎明的河边》。1959年，出演由苏里执导的剧情电影《我们村里的年轻人上集》，在片中饰演质朴、风趣、诙谐的青年农民二狗。
1960年，与浦克、 郭振清联袂出演剧情电影《我们这一代人》；同年，参演由张辛实执导的剧情电影《羌笛颂》。1961年5月29日，加入中国共产党；7月底，调入长春电影制片厂第二创作组，担任副导演。1962年12月，当选为厂共青团团委委员。
1963年，由其出演的剧情电影《我们村里的年轻人续集》上映。1965年，担任剧情电影《战洪图》的助理导演。1972年，担任剧情电影《艳阳天》的助理导演。1975年，独立执导个人首部电影《金光大道》。1976年，被选为长春电影制厂先进工作者。1978年，当选为长春市朝阳区第八届人民代表。
1979年，执导由宋晓英、栾福仁共同主演的剧情电影《丫丫》；同年，被评为吉林省和长春市的省、市劳动模范。1980年，执导由林强、罗小山合作主演的剧情电影《花开花落》；同年，担任中国电影家协会理事。1981年，与王启民联合执导剧情电影《绿色钱包》，该片获得中国文化部优秀影片奖。
1982年，与王启民联合执导根据谌容同名小说改编的剧情电影《人到中年》，影片讲述了某医院中年眼科医生陆文婷的奉献精神与生活境遇，该片获得第3届中国电影金鸡奖最佳故事片奖、第6届大众电影百花奖最佳故事片奖。
1983年，被选为吉林省和长春市劳动模范；4月，在杂志《电影艺术》上发表文章《〈人到中年〉导演札记》。1984年，执导根据梁晓声同名小说改编的剧情电影《今夜有暴风雪》。1985年，被选为第5届中国电影家协会理事；同年，孙羽获得“吉林省有突出贡献的中青年专业技术人才”称号。
1986年，孙羽调入珠江电影制片公司艺术部担任导演；同年，被聘为辽宁电影制片厂导演顾问。1987年，执导由常蓝天、杨宏雯、黄月美联合主演的剧情电影《魂荡东洋》；12月，担任中国电影金鸡奖评选委员会委员。1988年，参演电视剧《警官的荣誉》。
1989年，与王薇联合执导电视剧《血沃油山》。1989年，自编自导剧情电影《红军留下的儿子》。1993年11月，被聘为珠影厂艺术委员会委员。1994年10月，获得国务院政府特殊津贴。
1995年，执导近代革命剧《东江纵队》；9月，被聘为国际华语电视节目“金龙奖”评选委员会委员。1996年，在杂志《电影文学》上发表文章《长影，我的根在那里》；同年，执导电视剧《魔鬼世界》。1998年4月，获得珠江电影制片公司“珠影厂四十周年突出贡献奖”。
2000年，与朱德承联合执导传记电影《少奇专列》，该片获得第1届电视电影百合奖一等奖。2002年，在期刊《中国电影报》上发表文章《恸悼恩师林农》。2005年，出席中国电影诞辰100周年庆典，获得中国文联颁发的“从影五十周年以上”纪念奖章。
2006年，与王学圻、宣萱联合参演电视剧《天火》；同年，在杂志《大众电影》上发表文章《〈人到中年〉的点滴记忆》。2009年，担任剧情电影《走出大墙的人》的总导演；同年，获得中国文联颁发的“从事新中国文艺工作六十周年荣誉证书”。2011年，在杂志《电影艺术》上发表文章《贺岁片众人谈》；同年，在革命电影《战时省委》中饰演省委书记张文彬。
2012年，在杂志《电影艺术》上发表文章《众议〈金陵十三钗〉》。2013年9月10日，孙羽获得中国表演艺术学会第14届学会奖“特别荣誉奖”；同年，在杂志《影博·影响》上发表文章《应该永远怀念的影人——忆陈波儿》。2014年2月19日1时28分，孙羽因病逝世，享年80岁。
