1921年12月生，浙江嘉善人。幼年時代生活在一個知識家庭。1938年入燕京大學哲學系學習，曾參加燕京劇社的演出，在校期間曾演出過《雷雨》《生死戀》等劇。1947年畢業於燕京大學。1943年起參加中國旅行劇團、上海國華劇社等演劇團體。1948年開始步入影壇。1949年進入上海電影製片廠。
1949年，孫道臨參加了上海遠東影業公司《大雷雨》的拍攝，並在崑崙影業公司完成《烏鴉與麻雀》一片的拍攝。此片獲文化部1949-1955年優秀影片，獲個人一等獎。
1954年，主演《渡江偵察記》。該片講述了渡江戰役前夕，解放軍某部李連長率偵察班探明敵人江防部署，協助大部隊取得戰役成功的故事。拍攝之前，孫道臨等演員一起前往朝鮮戰場，親眼目睹了志願軍戰士們是如何英勇作戰的，這對他成功塑造這個人物提供了最重要的幫助。1955年，主演《南島風雲》。該片講述了1943年海南島抗日武裝某大隊撤離山區根據地的故事。
1956年，由上海電影製片廠拍攝的《家》中孫道臨扮演高覺新。講述了20世紀20年代初期四川成都一個封建大家庭的罪惡及腐朽，以及青年一代的覺醒。1957年，主演電影《不夜城》。
1958年，主演《永不消逝的電波》。該片以李白烈士的事跡為原型，講述了中共黨員李俠潛伏在敵佔區，為革命事業奉獻出生命的故事。
孫道臨還是一位出色的譯製片配音大師。他為《王子復仇記》、《鋼鐵是怎樣煉成的》、《基督山伯爵》等多部膾炙人口的作品配過音，特別是1958年他在《王子復仇記》中為王子哈姆雷特配的音堪稱銀幕經典。
1961年，在《革命家庭》中飾演江梅清。
1962年，電影演員孫道臨和越劇演員王文娟喜結良緣。，孫道臨特別痴迷越劇，王文娟主演的《紅樓夢》、《追魚》、《西廂》，他每演必看。王文娟是孫道臨的忠實影迷。他們通過黃宗江介紹認識的。半個世紀以來，孫道臨在近30部電影和電視劇中擔任主角或重要角色，在近10部影視劇中擔任導演。1962年，孫道臨等老一輩表演藝術家位列新中國「22大影星」，是那一代最紅的影星。
1963年，主演電影《早春二月》。
1977年，北京電影製片廠和中央新聞紀錄電影製片廠聯合拍攝了一部大型藝術紀錄片，取名《春天》，由著名電影表演藝術家孫道臨擔任朗誦。他的朗誦激昂澎湃，又飽含深情，真切地抒發了文藝工作者們終於迎來藝術春天的喜悅心情。
1979年，孫道臨在影片《李四光》中扮演我國著名的科學家李四光。
1982年，孫道臨主演影片《一盤沒有下完的棋》。
《雷雨》，孫道臨說與之有解不完的情結。年少時演周衝，年長時演周萍，年老時又自編自導電影《雷雨》並自演周樸園。《雷雨》是他的啟蒙戲，有著70年之久的不解之緣。1984年，他塑造的資本家周樸園這個人物也是那麼生動和傳神，顯示出了他高超的表演功力和技巧。
1986年，執導並主演《非常大總統》。該片講述了 1921年孫中山就任非常大總統後，在廣東準備集結力量，舉兵北伐，統一中國的故事。
孫道臨在1988年的春節晚會上擔任主持人。他雖已不再年輕，但帥氣依舊，且氣質儒雅，完全就是紳士模樣，給人的印象非常好。
2001年，80歲高齡的孫道臨導演了他的最後一部電影《詹天佑》,該片當年贏得中國電影華表獎最佳故事片獎。2005年被授予「國家有突出貢獻電影藝術家」稱號。孫道臨老師是一個高尚的、有堅定信仰的人。細心的人會發現，他和他的太太老藝術家王文娟老師一生從未做過任何商業廣告。
孫道臨的全家福。在集體合影時，攝影師會喊出"茄子"一詞，大家就會心一笑齊念"茄子"，於是就留下面帶笑靨的優美影像效果來。這個讓照相時留下微笑口形的"訣竅"，據說是著名電影表演藝術家孫道臨的首創。2007年12月28日早上8時59分，著名表演藝術家孫道臨因病在上海華東醫院逝世，享年86歲。孫道臨老師被安葬在了上海的萬國公墓。
孫道臨是銀幕上公認的"美男子"，他飾演的諸多藝術形象，以風流倜儻、儒雅灑脫的氣質聞名於世，他那俊朗優雅、笑容可掬的"明星照"，也受到廣大觀眾的熱烈追捧。孫道臨主演的《渡江偵察記》《永不消逝的電波》等多部膾炙人口的老電影，昔日「電影皇帝」的音容笑貌仿佛猶在人間。