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。