2014年，孙怡主演了黄尧执导的现代爱情片《欢·爱》，并在片中与郭晓冬演绎了一段萝莉与大叔之间的忘年之恋，而此片则入围了第32届圣丹斯国际电影节主竞赛单元 ；随后，孙怡参加了《芈月传》剧组与乐视网联合举办的“全民网络造星“活动，并最终脱颖而出与众多艺人共同出演了古装人物传奇剧《芈月传》，而她在剧中则饰演了芈月的侄女芈瑶；同年，孙怡还与包贝尔搭档主演了青春爱情喜剧片《我的青春期》，并在片中饰演了清纯可人的女主角李春霞；此外，孙怡还在与海清、陈思诚、朱珠合作出演的职场励志情感剧《大猫儿追爱记》中饰演了单纯善良的富家女同同。

2015年，孙怡出演了红色革命剧《暴风骤雨》；同年，孙怡还与张若昀、邓伦、张雪迎联袂主演了改编自同名小说的青春爱情剧《十五年等待候鸟》，并在剧中饰演了外形平凡却智商颇高的女主角黎璃，而孙怡也因此赢得了更高的关注度与人气。

2016年3月，孙怡与韩东君搭档主演了革命热血剧《迷雾围城》，并在剧中饰演了温婉贤淑又高冷精明的女主角秦桑；随后，孙怡还因在《欢·爱》中的出色表现，连续摘得了第19届上海国际电影节亚洲新人奖最佳女演员、第11届华语青年影像论坛年度新锐女演员的荣誉；同年，她还与钟汉良、马天宇合作主演了现代都市情感剧《凉生，我们可不可以不忧伤》。

2017年，孙怡与邓伦搭档主演的青春爱情剧《因为遇见你》在湖南卫视黄金档播出，她在剧中饰演了身世复杂，外表霸道又内心细腻，还有一双至美巧手的馄饨店小妹张果果，而该剧则以52城平均1.93，全国网平均3.26的收视成绩获得了全国同时段电视剧收视冠军；12月，凭借《因为遇见你》获得安徽卫视2017国剧盛典年度新晋女演员。

2018年3月，孙怡与白敬亭搭档主演的现代都市励志剧《初晨，是我故意忘记你》开机，她在剧中饰演的是女主角黎初遥；10月，她发行了个人的首张音乐EP《等光》。

2019年，孙怡与张昊唯、朱雨辰等合作出演了都市职场剧《你好检察官》，在剧中饰演女主角姜文静；而由其领衔主演的古装爱情剧《今夕何夕》也于同年拍摄完成。