1894年生於浙江紹興的壹個店員家庭。早年在家鄉讀書，1918年經周作人介紹，與其弟孫福熙壹起到北京大學旁聽，第二年轉為正式生。北大期間加入文學團體新潮社。
1919年出任北京《國民公報》副刊編輯。《國民公報》因刊登揭露段祺瑞政府醜聞被查封後，孫伏園轉入《晨報》當記者。 1920年，他與茅盾、鄭振鐸等人***同發起著名文學團體——文學研究會。
1921年，孫伏園從北大畢業，正式進入《晨報》出任副刊編輯，人稱“副刊大王”。在主持晨報副刊時，魯迅名作《阿Q正傳》即在該報首次連續發表，還發表冰心的《寄小讀者》、周作人的《自己的園地》等許多後來被熟知的作品，並大量介紹西方文化科學著作及譯者。在其主持下，晨報副刊實際成為新文化運動的壹處宣傳陣地。
1924年10月，預備發表魯迅打油詩《我的失戀》時，與代理主編劉勉發生沖突，孫伏園隨後辭職，離開《晨報》。同年11月他與魯迅等人發起成立語絲社，出版語絲周刊。12月初，接受了邵飄萍的邀請，主編《京報副刊》。
1925年4月24日《京報》被查封，孫伏園與其弟孫福熙壹起南下到廣州中山大學任教。1926年應廈門大學文學院院長林語堂之邀，赴該校出任國學院編輯部幹事，兼任廈門南普陀寺附設南佛學院教職，並繼續與在該校任教的魯迅保持密切聯系。當年冬再赴廣州，任《國民日報》副刊編輯，兼任中山大學史學系主任。
1927年3月應邀到武漢主編漢口《中央日報》副刊，在武漢國民政府時期，發表過毛澤東的《湖南農民運動考察報告》、郭沫若的《脫離蔣介石以後》等文章。“寧漢合流”後，武漢《中央日報》停刊。同年冬孫伏園前往上海。
1928年創辦並主編《當代》雜誌，1929年與其弟赴法國留學。1931年回國後，應晏陽初等人邀請，出任河北定縣中華平民教育促進會文學部主任，推動平民文學教育，主編《農民報》，還參與主編《民間》雜誌。
1937年曾任湖南衡山實驗縣縣長。抗戰爆發後轉至重慶，1939年被選為國民政府軍委會政治部設計委員。
1941年初，孫伏園接受了重慶《中央日報》社社長陳博生的約請，主編《中央副刊》，後因刊發郭沫若的歷史劇《屈原》而被解聘。
抗戰勝利後在成都華西大學文學院、齊魯大學、四川大學中文系任教。1949年上半年，任成都《新民報》主筆兼副刊主編。1949年7月，孫伏園到北京參加第壹次全國文代會，被選為全國文聯委員。中華人民***和國成立後，擔任國家出版署版本圖書館館長。
1954年冬因腦溢血導致偏癱。1966年1月2日，孫伏園病逝於北京，享年72歲。