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。