2000年，出演英达执导的电影《东北一家人》，饰演张志桥；2002年，出演英达执导的电影《售楼处的故事》，饰演包二爷；2004年，出演陈权执导的电视剧《关中女人》，饰演金兴龙；同年，主演王强执导的电视剧《魂断楼兰》，饰演叶萧和江河，作为北京人艺后起之秀的孙大川这次在剧中同时饰演两个角色；2005年，出演龚若飞执导的电视剧《大河颂》，饰演陈潢，该剧是首部中国电视剧史上以科学为主题，以真实的历史事件的科学大片。

2006年，出演滕文骥执导的电视剧《梦回春谷》，饰演陈宝良；同年，主演黎世恒执导的电视剧《飘落的红丝线》，饰演廖恒；2007年，主演王小康执导的电视剧《幸福里九号》，饰演杨卫国，该剧讲述了改革开放30年北京两个普通家庭之间的故事，通过家长里短反映一个时代的变迁和大时代里个人命运沉浮的故事；同年，主演庚庚执导王新军、张蓓蓓、苗圃主演的电视剧《离开军营的日子》，饰演王勇敢；2010年，主演楼健执导的电视剧《金陵秘事》，饰演杨奇峰。

2014年，出演田原鸿执导的电视剧《老爸靠谱》，剧中饰演陈裕民，该剧讲述了原三江市十五中学校长领着儿子徐思齐和女儿徐丹霞，一家被下放至桦北县发的故事；同年，出演沈好放执导的电视剧《我们走在大路上》，饰演范思利；同年3月，主演汪俊执导的电视剧《我的儿子是奇葩》，饰演胡润北，该剧是由安徽广播电视台、浙江华谊兄弟影业投资有限公司联合出品的一部都市话题喜剧；同年3月，出演沈好执导的电视剧《幸福的季节》，饰演季俭；同年8月，主演杨阳执导的电视剧《今夜天使降临》，饰演徐立功；同年9月，出演林妍执导的电视剧《我为儿孙当北漂》，饰演许总。

2015年2月，主演程力栋、国建勇、袁英明执导的电视剧《武神赵子龙》，饰演潘于；同年，出演于敏执导的电视剧《左轮手枪》，饰演许小刀、许大刀双人物；同年，出演陈畅执导的电视剧《新婚公寓》，饰演卢大头；同年12月，出演金姝慧执导的电视剧《林海雪原》，饰演栾平外号“小炉匠”，是奶头山许大马棒的联络副官。负责奶头山对外的所有联络工作。

2016年2月，主演成科执导的电视剧《我和我的小姨子们》；同年2月，出演楼健执导电视剧《灵与肉》，由宁夏回族自治区党委宣传部策划发起，宁夏电影集团承制的电视剧；同年2月，主演郑凯南执导的电视剧《你是我的眼》，饰演神马，和贾玲，沈腾一起飙戏；同年8月，出演马骁执导的电影《擒狼》，饰演章世光，该剧讲述了四大匪帮组建“狼盟”祸乱一方，精英小队临危受命前往“擒狼”。

2019年11月6日，参演的历史战争剧《河山》播出。

2020年12月20日，参演的电视剧《大江大河2》播出，在剧中饰演刘玉海。

2022年2月7日，参演的电视剧《假日暖洋洋2》播出；参演电视剧《运河风流》播出。6月20日参演电视剧《我将喜欢告诉了风》官宣杀青。