2003年《玉观音》开播，孙俪饰演的缉毒女警察安心是一位在亲与仇、情与法之间痛苦地纠缠，经历了死亡的残酷，体味了爱情的甜蜜，最终成长为一个坚强的女性，并凭借这一角色获得第22届中国电视金鹰奖最具人气女演员奖、最受观众喜爱的电视剧女演员奖、中央电视台电视剧十佳演员及第14届北京电视春燕奖电视剧优秀女主角等多种奖项。2004年，主演爱情电视剧《一米阳光》，在剧中饰演女律师伊川夏；随后，在年代剧《红粉世家》中饰演歌女李桃枝 ；同年，还与刘烨合作主演《血色浪漫》，饰演纯情的周晓白一角。2005年，在历史情感剧《风雨西关》中饰演天真活泼、无限美好的大家小姐谢天慧；随后，主演电视剧《幸福像花儿一样》，饰演单纯善良的舞蹈演员杜鹃，为电视剧献唱片尾曲《爱如空气》。2006年，在军旅题材电视剧《天和局》中饰演忠厚善良的传统女性竺晚秋；之后，首次出演现代爱情偶像剧《屋顶上的绿宝石》，饰演缤纷灿烂的莫家琦；同时，孙俪还寻求影坛方面的发展，与李连杰合作动作片《霍元甲》，并凭此片获第28届大众电影百花奖“最佳新人奖” 。
2007年，与黄晓明合作主演《新上海滩》，饰演集诚实、坚强、爱心、智慧、勇气与气质于一身的冯程程；随后出演电视剧《一世情缘》，饰演任性刁蛮且深藏心机的富家女纪雯；同年，入围第3届“全国十大社会公益之星”的名单。2008年，发行个人首张音乐专辑《小小的梦想》；孙俪与邓超以荧幕情侣档主演浪漫爱情电视剧《甜蜜蜜》；随后，参演陈嘉上导演的古装爱情魔幻电影《画皮》，饰演降魔者夏冰；7月，参演汶川地震公益短片《2008分之一》 ；9月1日，北京残奥会圣火在上海传递，孙俪成为第57棒火炬手。
2009年，孙俪主演严歌苓小说改篇的年代剧《小姨多鹤》，饰演日本孤女竹内多鹤，因剧集涉及中日题材，雪藏三年后才在安徽卫视上星播放；之后，主演胡大为执导的剧情片《金山》，孙俪饰演的女主角小虎，这部电影未能够在国内放映，然而孙俪却凭借这一角色获得罗马故事电影节“最佳女主角奖”及加拿大电影the Gemini Award双子座奖“最佳女主角奖” ；同年，主演科幻爱情喜剧电影《机器侠》。2010年，孙俪出演刘镇伟执导的的爱情喜剧《越光宝盒》，饰演为求真爱紧追不舍的玫瑰仙子；随后拍摄了刘镇伟执导的另一部的爱情喜剧《天仙奇缘》，进度一半时因片方撤资而停拍 ，复拍后更名为《大话天仙》，并于2014年2月上映。
