孙道临幼年时代生活在一个知识家庭。1938年考入燕京大学哲学系学习，在校期间曾演出过《雷雨》、《生死恋》等剧。

1941年珍珠港事件爆发后，燕京大学被迫关闭，孙道临失学，1943年加入中国旅行剧团，正式开始演员生涯。以后，又辗转加入上海国华剧社和北平南北剧社，演出过话剧《雷雨》、《日出》、《家》、《茶花女》等，并导演《青春》一剧，开始在舞台上崭露头角。

抗日战争胜利后，他便返回燕京大学，于1947年毕业，并加入北平艺术馆，演出了黄宗江编剧的《大团圆》。1948年，金山组织上海清华影业公司将《大团圆》改编成电影，孙道临仍扮演三弟，从此登上银幕。

1949年孙道临参加了上海远东影业公司《大雷雨》的拍摄，并在昆仑影业公司完成《乌鸦与麻雀》一片的拍摄。此片获文化部1949—1955年优秀影片评奖中获个人一等奖。

新中国成立后，他加入上影厂继续从事表演创作。主演及参演了《民主青年进行曲》、《女司机》、《南岛风云》、《家》、《不夜城》、《永不消逝的电波》、《万紫千红总是春》、《革命家庭》、《早春二月》等10余部影片的拍摄，其中以各种不同的身份，塑造了性格迥异的银幕形象。表演深沉、自然，富有激情，都是中国电影表演画廊中的佳作，他的嗓音浑厚，吐字清晰，感情丰富，他所配音的影片有《王子复仇记》，解说的影片《鲁迅传》，都极有魅力，又是一位不可多得的朗诵艺术家。

孙道临也是一位优秀的导演，1984年后他自编自导影片《雷雨》、《非常大总统》，1992年执导了根据肖复兴小说改编的电影《继母》。而近来他被人们提起最多的是执导的电影《詹天佑》，2001年，80岁的他导演的电影《詹天佑》荣获中国电影“华表奖”最佳故事片奖。在北京的首映式上，孙道临所享受到的“掌声与喝彩”比那些当红明星们要热烈得多。，是中国电影史上最为多产的表演艺术家之一。

2007年12月28日早上8时59分，著名表演艺术家孙道临因病在上海华东医院逝世，享年86岁。