2004年，參演描述現(xiàn)實(shí)刑警辦案的電視劇《我非英雄》；同年憑借《軍歌嘹亮》獲得中國(guó)電視界最受大眾歡迎十佳演員獎(jiǎng)。

2005年，與甄子丹、黎明、張靜初共同主演徐克執(zhí)導(dǎo)的古裝武俠片《七劍》，片中孫紅雷飾演劊子手烽火連城。

2006年，孫紅雷和陳小藝主演的電視劇《半路夫妻》播出后收視率不俗，該片在電視劇風(fēng)云盛典組委會(huì)公布的2005年中國(guó)內(nèi)地電視劇收視率前50強(qiáng)名單中排名第4位。

2007年，與劉佩琦、陳小藝共同主演電視劇《大工匠》，飾演敢愛(ài)敢恨的八級(jí)鍛工楊老三；同年主演吳宇森監(jiān)制的電影《天堂口》，飾演天堂夜總會(huì)的老板洪哥。

2008年，主演諜戰(zhàn)劇《潛伏》，飾演外表世俗圓滑但是內(nèi)心堅(jiān)強(qiáng)的共產(chǎn)黨員余則成；12月孫紅雷參演的電影《梅蘭芳》在全國(guó)上映，劇中他扮演梅蘭芳的經(jīng)紀(jì)人邱如白。

2009年4月，孫紅雷主演的電視劇《潛伏》在北京衛(wèi)視、東方衛(wèi)視、重慶衛(wèi)視、黑龍江衛(wèi)視同時(shí)上星播出，該劇在北京衛(wèi)視創(chuàng)下平均9.1%的高收視率，4月15日的收視率更是超過(guò)了14%；6月主演的電視劇《人間正道是滄?！吩谘胍暟颂撞コ觯?月憑借《潛伏》獲得第27屆中國(guó)電視劇飛天獎(jiǎng)優(yōu)秀男演員獎(jiǎng)；12月孫紅雷主演的電影《三槍拍案驚奇》在全國(guó)上映，首周票房超過(guò)一億。

2010年3月，主演戰(zhàn)國(guó)題材的電影《戰(zhàn)國(guó)》，飾演戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的軍事家孫臏；9月，參演拍攝馮小剛執(zhí)導(dǎo)的愛(ài)情喜劇電影《非誠(chéng)勿擾2》。