孙道临出生在一个知识分子家庭 。1936年，15岁的孙道临写了一篇短篇小说《母子俩》，并发表于名为《大鹏》的校刊上 。1938年，考入燕京大学哲学系，曾参加燕京剧社的演出，在校期间出演过《雷雨》、《生死恋》等话剧 。
1943年起，参加中国旅行剧团、上海国华剧社等演剧团体。1944年，开始担任北京南北剧社演员、编导，上海国华剧社演员。抗战胜利后返回燕京大学，于1947年毕业，并加入了北平艺术馆。1948年，在上海清华影业公司担任演员，并参演了金山组织上海清华影业公司改编的剧情电影《大团圆》。
1949年，进入上海电影制片厂；同年，与赵丹、吴茵联袂主演剧情电影《乌鸦与麻雀》，获得中国文化部1949—1955年优秀影片评奖个人一等奖。1950年，与姚向黎、桑夫联袂主演剧情电影《民主青年进行曲》 。1951年，与舒绣文、柯刚联合主演剧情电影《女司机》。
1950年，与姚向黎、桑夫联袂主演剧情电影《民主青年进行曲》 。1951年，与舒绣文、柯刚联合主演剧情电影《女司机》 。1954年，与李玲君合作主演战争电影《渡江侦察记》，在片中饰演特派侦察部队李连长。
1955年，与上官云珠等共同主演剧情电影《南岛风云》 。1956年，与王丹凤、张瑞芳联合主演剧情电影《家》；6月2日，与李保罗合作主演的剧情电影《春天来了》上映。1957年，与李玲君、刘非联合主演剧情电影《不夜城》，在片中饰演大光明纺织印染厂老板张耀堂的儿子张伯韩。
1958年，与秦怡共同主演剧情电影《红色的种子》；同年，与袁霞搭档主演剧情电影《永不消逝的电波》，在片中饰演八路军的电报专家李侠 ；此外，还为剧情电影《王子复仇记》中的王子哈姆雷特配音。
1959年，由其出演的剧情电影《万紫千红总是春》上映 。1961年，与于蓝合作主演剧情电影《革命家庭》，饰演由祖母养大的江海清；同年，出演由刘琼执导的冒险电影《51号兵站》。1963年，与谢芳、上官云珠联合主演剧情电影《早春二月》，在片中饰演为追寻革命真理而苦恼彷徨的知识青年肖涧秋。
1979年，与王铁成、俞平联袂主演人物传记电影《李四光》，在片中饰演专注于科学研究的地质学家李四光。1981年，担任传记纪录片《鲁迅传》的旁白解说。1982年，与三国连太郎合作主演剧情电影《一盘没有下完的棋》，在片中饰演被誉为“江南棋王”的围棋名手况易山。
1984年，自编自导自演剧情电影《雷雨》，在片中饰演专制、伪善的煤矿主周朴园，该片改编自曹禺的同名话剧。1986年，自导自演剧情电影《非常大总统》。1988年，与姜昆、侯耀文、王刚等共同担任央视春晚主持人。
1992年，执导根据肖复兴小说改编的剧情电影《继母》。1995年，孙道临获得电影世纪奖最佳男演员奖；同年，孙道临获得第5届中国电影表演艺术学会特别荣誉奖。1997年，创作诗歌散文集《走进阳光》。
2000年，与姚寿康联合执导传记电影《詹天佑》，影片讲述了詹天佑修建铁路的故事，该片获得第7届中国电影华表奖最佳故事片奖 、中宣部“五个一工程奖”。2005年，孙道临获得中国电影百年百位优秀演员奖
孙道临所饰演的所有的银幕形象，都散发出明显而独特的知识分子气息。他塑造过一系列解放军指挥员和地下工作者的银幕英雄，却区别于同时代其他演员饰演的工农英雄和战士的银幕形象，带有知识分子在革命烽火中锤炼成钢的人民英雄特点。孙道临的一生，是有思想的电影人的一生，也是一位知识分子的一生。
他运用自己的身体和演技，塑造了一代中国知识分子的银幕形象系列，成为“五四”文化和当代知识分子的形象标志，这是他不可替代的文化贡献。同时，他又以广泛而丰富的文化活动展示了一个知识分子的历史使命感和现实参与性，展示了一个知识分子的良知、操守和责任。孙道临作为一个以电影艺术为表达方式的文化人，用行动体现了使命和责任。
孙道临的父亲是孙文耀 。20世纪60年代，孙道临与越剧演员王文娟结婚。2007年12月28日，孙道临因突发心脏病在上海华东医院去世，享年86岁。
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