2007年，参演了金鳌勋执导的电视剧《绣娘兰馨》，在剧中饰演“阿朗”一角。同年，参演《明星制造》节目，获得上海市小节目评比展演节目奖。

2009年，开始与娄艺潇、陈赫、王传君等人联袂主演韦正执导的系列都市爱情喜剧《爱情公寓》，在剧中饰演了一个四处留情的花花公子“吕子乔”。

2012年8月10日，与王传君、卓文萱主演的校园青春偶像剧《爱情是从告白开始的》在安徽卫视、陕西卫视、湖北卫视黄金档播出，并在剧中饰演为人低调且成绩优异的“欧皓辰”；该剧播出期间百度指数搜索量达到85万，网络点击量也突破3亿。

2013年，孙艺洲与安以轩主演了由陈铭章执导的都市爱情电视剧《全民公主》，在剧中饰演“余子浩”一角；该剧颠覆了偶像剧的叙事节奏，开播前两集男女主人公就相爱。

2014年4月22日，孙艺洲与刘诗诗、吴奇隆主演的都市爱情商战电视剧《步步惊情》在湖南卫视播出，并饰演康氏集团的继承人“康司瀚”一角；而孙艺洲则凭借该剧获得2014年国剧盛典“最具潜质演员”奖。

2015年2月6日，参演的喜剧片《一路惊喜》在中国内地上映。10月27日，孙艺洲与李晟、马天宇主演的都市情感剧《绯闻女友》在湖南娱乐频道播出 。11月29日，孙艺洲参演了根据同名动画改编的古装奇幻武侠剧电视剧《秦时明月》，在剧中饰演了充满野心和霸气的“卫庄”。同年，他还参演了都市爱情剧《面包树上的女人》。

2016年5月3日，主演改编自风弄同名小说的古装剧《孤芳不自赏》饰演何侠。5月9日，主演的暖心励志时尚爱情剧《柠檬初上》在江苏卫视播出，剧中饰演暖男“郑磊”。6月17日，战争历险巨制《怒江之战》在腾讯视频独家播出，孙艺洲饰演“赵半括”。

2017年1月3日，孙艺洲与张海宇共同出演情感喜剧《废柴兄弟5泰爽》。1月7日，他加盟的国内首档原创明星冰舞竞技真人秀《跨界冰雪王》在北京卫视播出。

2017年5月23日晚，孙艺洲参演的国内首档二次元达人秀节目腾讯视频《我爱二次元》上线。

2018年8月10日，主演的爱情喜剧电影《爱情公寓》全国公映。

2019年5月，参演《爱情公寓5》。