2006年以“代训”身份进入国家队。不满15岁的孙杨在浙江省运会上独揽男子400米混合泳、男子200米自由泳、男子1500米自由泳三枚金牌。

2007年1月孙杨正式进入国家游泳队，每天训练量14-20公里。

2007年墨尔本世界游泳锦标赛，孙杨参加男子400米自由泳和男子800米自由泳两个项目，预赛遭到淘汰，这是孙杨首次参加世界大赛。

2008年北京奥运会，孙杨参加男子400米自由泳和男子1500米自由泳两个个人项目，并和队友参加男子4x200米自由泳接力比赛。孙杨在男子1500米自由泳中闯入决赛，以15分05秒12的成绩获得第八名。这是孙杨首次参加奥运会，也是他首次在世界大赛中闯入决赛。

2009年罗马世界游泳锦标赛，孙杨在男子400米自由泳预赛中遭到淘汰，但随后在男子1500米自由泳决赛中以14分46秒84的成绩摘得铜牌，这是孙杨在世界大赛中获得的第一枚奖牌。

2010年广州亚运会，孙杨先后在男子200米自由泳和男子400米自由泳比赛中摘得两块银牌。在男子4x200米自由泳接力决赛中，孙杨与队友合作夺得冠军，获得个人第一枚亚运金牌，同时帮助中国队打破了日本对该项目长达56年的垄断，首次在亚运会上摘得男子游泳接力金牌。在男子1500米自由泳决赛中，孙杨以14分35秒43的成绩夺冠，并打破亚洲纪录，将原有亚洲纪录提高了十秒之多，同时距离世界纪录只差不到一秒。

2011年上海世界游泳锦标赛，孙杨在男子400米自由泳比赛中夺得银牌，在男子800米自由泳比赛中以7分38秒57的成绩获得个人第一块世锦赛金牌，这也是孙杨的第一个世界冠军。随后在男子4x200米自由泳接力比赛中，孙杨与队友一同夺得该项目的铜牌，这是中国在世界大赛男子游泳接力项目的第一块奖牌。而在最后一日进行的男子1500米自由泳比赛中，孙杨以14分34秒14的成绩夺冠，这个成绩也打破了尘封十年且在快速泳衣时代唯一没有被打破的世界纪录，成为中国第一个在世锦赛男子游泳奥运项目里获得冠军的运动员，同时也是中国男子游泳在世锦赛上的第一个双冠王。

2012年伦敦奥运会，孙杨在男子400米自由泳决赛中以3分40秒14的成绩打破该项目奥运会纪录获得冠军，并改写中国男子游泳项目无金牌的历史，成为中国第一个男子游泳奥运冠军。在男子200米自由泳决赛中，孙扬获得银牌。在男子4x200米自由泳接力比赛中，孙杨和队友们为中国队摘得铜牌，这是中国在奥运会首次摘得男子接力项目的奖牌。在男子1500米自由泳比赛中，孙杨以14分31秒02的成绩摘得金牌，并再次打破世界纪录，将由自己保持的原世界纪录提高三秒之多。孙杨在伦敦奥运会共获两金一银一铜，是中国在本届奥运会获得奖牌最多的运动员，单届奖牌数量仅次于李宁在1984年洛杉矶奥运会取得的三金两银一铜。

2013年巴塞罗那世界游泳锦标赛，孙杨摘得男子400米自由泳金牌，在男子800米自由泳、男子1500米自由泳两个项目中成功卫冕。在男子4x200米自由泳接力决赛中，在中国前三棒落后差距明显的情况下，第四棒的孙杨成功逆转，从第五名追赶至第三名，以0.17秒的微弱优势为中国队赢得一枚宝贵的铜牌。孙杨接力分段成绩1分43秒16远超本届世锦赛男子200米自由泳冠军的成绩。孙杨荣获2013年巴塞罗那世锦赛最佳男子运动员，这是亚洲运动员首次获得该荣誉。

2014年仁川亚运会，孙杨在男子200米自由泳比赛中摘银，左手大拇指也在到边时不慎受伤。在男子400米自由泳决赛和男子1500米自由泳决赛中，孙扬均获得冠军，而在男子4x100米自由泳接力比赛中，第三棒的孙杨成功反超日本，中国队最终获得冠军。

2015年喀山世界游泳锦标赛，孙杨在男子400米自由泳决赛中成功卫冕，虽与男子200米自由泳决赛金牌失之交臂，但在男子800米自由泳决赛中孙杨成功卫冕，成为第一位世锦赛男子800米自由泳三连冠获得者。在男子1500米自由泳决赛中，孙杨因心脏不适退赛。孙杨再次获得世锦赛最佳男运动员（MVP）奖项，成为继菲尔普斯后第二位蝉联该荣誉的运动员，也是亚洲运动员首次蝉联该荣誉。

2016年1月29日，孙杨在澳大利亚集训备战里约奥运会时右脚骨折，保守治疗需六周痊愈。5月底，即将出发美国进行里约奥运最后备战的孙杨在一次复查中，本以为已经康复的第五跖骨不但没有完全愈合，第四跖骨也出现了“疲劳性骨折”。

2016年里约奥运会，孙杨在男子400米自由泳决赛中以3分41秒68的成绩获得银牌，在男子200米自由泳决赛中他以1分44秒65的成绩成功夺冠，成为亚洲第一位男子200米自由泳奥运冠军。而在男子1500米自由泳预赛中，带病参赛的孙杨发挥不佳，无缘决赛。

至此，孙杨成为历史上第一位集男子200米自由泳、男子400米自由泳、男子1500米自由泳奥运会金牌于一身的游泳运动员，同时他还是中国第一位连续两届奥运会摘取金牌的游泳运动员。

2017年布达佩斯世界游泳锦标赛，孙杨在男子400米自由泳决赛以3分41秒38的赛季最好成绩夺得冠军，实现三连冠，追平了澳洲名将索普的纪录。随后，在男子200米自由泳决赛中，孙杨以1分44秒39的成绩刷新由自己保持的亚洲纪录，获得冠军。在男子800米自由泳的比赛中，孙杨以7分48秒87的成绩获得第五名。

至此，孙杨成为世界上首位在男子200米、400米、800米、1500米中长距离自由泳上全部夺取过世锦赛金牌的选手——大满贯成就达成。

2018年雅加达亚运会，孙杨在男子200米自由泳决赛中以1分45秒43的成绩夺冠。至此，孙杨实现了横跨男子200米自由泳至男子1500米自由泳项目的世界大赛金满贯。

随后在男子800米自由泳决赛中以7分48秒36的成绩再次摘取金牌。男子4x200米自由泳接力决赛中，孙杨所率领的中国队以微弱差距屈居亚军。男子400米自由泳决赛中，孙杨以3分42秒92的成绩夺冠。男子4X100米自由泳接力决赛中，孙杨所率领的的中国队获得银牌。男子1500米自由泳决赛中，孙杨以14分58秒53的成绩获得冠军。

孙杨首次实现在同一届国际大赛中，同时夺得横跨短中长距离自由泳项目的冠军。

在2018年12月14日晚国际泳联短池游泳世锦赛压轴登场的男子4×200米自由泳接力决赛中，由季新杰、徐嘉余、孙杨和汪顺组成的中国队在比赛中以超过世界纪录的成绩6分47秒53摘得铜牌。

2019年3月24日，孙杨获得2019年全国游泳冠军赛暨世锦赛选拔赛男子400米自由泳冠军。

2019年3月26日，以1分45秒73获2019年全国游泳冠军赛暨世锦赛选拔赛男子200米自由泳冠军。

2019年3月31日，孙杨以14分55秒00获得2019年全国游泳冠军赛暨世锦赛选拔赛男子1500米自由泳冠军。

2019年4月28日，以3分42秒75获国际泳联游泳冠军系列赛男子400米自由泳冠军。以1分46秒12获男子200米自由泳冠军。

2019年7月，入选光州游泳世锦赛中国队名单。

2019年7月21日，孙杨以3分42秒44获得光州游泳世锦赛男子400米自由泳冠军。

2019年7月23日，孙杨获得光州游泳世锦赛男子200米自由泳冠军。

2019年7月24日，获2019年国际泳联世锦赛男子800米自由泳第六。

2019年7月26日，跟随中国队获2019年国际泳联世锦赛男子4乘200米自由泳接力第六。

2019年12月26日，获新华社体育部2019年中国十佳运动员。

2020年1月14日，获2020年国际泳联冠军游泳系列赛深圳站男子200米自由泳亚军。

2020年1月15日，获2020年国际泳联冠军游泳系列赛深圳站男子400米自由泳冠军。

2020年1月18日，获2020国际泳联冠军赛北京站200米自由泳决赛冠军。

2020年1月18日，获2020年国际泳联冠军游泳系列赛（北京站）200米自由泳冠军。

2020年1月19日，获国际泳联冠军赛北京站男子400米第一。