2009年4月，孫紅雷主演的電視劇《潛伏》在北京衛視、東方衛視、重慶衛視、黑龍江衛視同時上星播出 ，該劇在北京衛視創下平均9.1%的高收視率，4月15日的收視率更是超過了14% ；6月主演的電視劇《人間正道是滄桑》在央視八套播出；9月憑藉《潛伏》獲得第27屆中國電視劇飛天獎優秀男演員獎；12月孫紅雷主演的電影《三槍拍案驚奇》在全國上映，首周票房超過一億。2010年3月，主演戰國題材的電影《戰國》，飾演戰國時期的軍事家孫臏；9月，參演拍攝馮小剛執導的愛情喜劇電影《非誠勿擾2》。2011年，與古天樂、高雲翔共同主演杜琪峰執導的警匪電影《毒戰》，飾演禁毒總隊隊長張雷。 2013年9月13日孫紅雷主演的電影《全民目擊》在全國上映；11月赴上海拍攝趙寶剛執導的電影《觸不可及》。
2014年1月，主演的電視劇《一代梟雄》在江蘇、浙江、天津、東方四大衛視同步播播出；9月19日，主演的電影《觸不可及》在全國上映；12月24日，主演的電視劇《二炮手》登陸江蘇、浙江、東方和天津衛視黃金檔和山東衛視非黃金檔首播。2015年3月19日，孫紅雷主演的電影《少年班》舉行定檔釋出會，宣佈該電影於6月19日全國上映。同年，參加東方衛視勵志綜藝真人秀節目《極限挑戰》 。9月，與江疏影、王耀慶、車曉主演都市情感劇《好先生》。2016年1月15日，孫紅雷主演的電影《極限挑戰之皇家寶藏》上映。5月31日，主演的都市情感劇《好先生》首播，孫紅雷劇中飾演米其林三星廚師陸遠。韓國電影《老手》翻拍中國版，孫紅雷出演男主角 。
孫紅雷是一個職業化的演員，他會用心揣摩角色，給導演提出自己的意見。他是個很特別的演員。他很像大哥，很有大哥風采，生活裡他能夠照顧其他人。他很真誠，做事非常認真。他是一個很聰明的演員，從《半路夫妻》到《潛伏》，他有能力將各種各樣的角色詮釋得很好，演壞人壞到極致，演好人很善良，這是演員的功力。孫紅雷的成功不是偶然，他具有優秀演員的必備元素。
