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》。