俱乐部生涯
ABA生涯
奥神时期
2005年10月，美国篮球协会宣布，CBA联赛的北京奥神队在接下来的赛季正式加盟美国篮球联盟（ABA联赛），孙悦也随队征战NBA。2005年10月，奥神队正式加ABA联赛（美国篮球联盟），同年11月14日，孙悦随奥神队进行了ABA首秀，得到8分、10次助攻和3次抢断。
2005年11月14日，北京奥神进行了加入美国ABA联盟的首场常规赛，在加利福尼亚梅伍德的主场以122-120险胜弗雷斯诺热浪队取得开门红，孙悦处子之战就打了45分钟，虽然只有8分进帐，但是他送出10次助攻和3次抢断。同年他随中国队夺得卡塔尔多哈亚锦赛男子篮球冠军，并且随临时改编的国家队参加东亚运动会获得季军。
2007年3月14日，奥神队在ABA的常规赛结束后，孙悦各方面都有了非常大的提高。在20场的比赛中，孙悦投篮命中率为45.5%，其中三分球命中率为29.4%，罚篮命中率70.7%，三项数据比过去一赛季的39%、28.2%和61.7%有了大幅提高。在平均39分钟的出场时间里，场均能贡献13.5分10.5助攻6篮板2盖帽1.9抢断，尤其是在组织进攻，传球能力方面有了更进一步的提高，也更成熟稳定。
2007年4月28日，孙悦入ABA（美国篮球联盟）年度第一阵容，成为第一次入选国外篮球联盟的第一阵容的第一位中国球员。北京时间2007年6月22日，NBA官方网站公布了2007年选秀125人大名单。2007年11月27日下午15:00，北京奥神队结束了在京的正常集训，他们从首都机场出发，踏上了赴主场新加坡征战美国ABA常规赛的征程。
2006-07赛季，在为北京奥神效力时，孙悦在ABA场均13.5分、10.5次助攻和6.0个篮板，同时入选ABA全明星阵容。过去的一个赛季，孙悦在ABA中13次拿到两双。在和橘子郡Buzz队的比赛中，他拿下赛季最高的22分，在和洛杉矶Aftershock队的比赛中，他拿到三双的数据。
NBA生涯
湖人时期
2007年6月29日，在NBA选秀大会上以第二轮第四十顺位被洛杉矶湖人队选中，成为中国第五位加盟NBA的球员，同时也是中国首位、亚洲第二位加盟NBA的后卫球员，并在2008年成功登陆NBA，孙悦成为继王治郅，巴特尔，姚明和易建联后，第五位正式登陆NBA的中国球员。并成为了中国乃至亚洲第二个获得NBA总冠军戒指的球员。虽然随队获得总冠军，但是其NBA道路并未长远。
2008年孙悦代表国家队出征北京奥运会并有上佳表现，他为中国队出战6场，全部首发，场均得到8.5分、1.6次助攻。
2008年8月8日，经过一个多月时间的沟通，再加上孙悦在国家队出色的表现，最终湖人选择了与孙悦签订一份为期两年的保证性合同。
2008年12月8日，洛杉矶湖人队在回到主场后找回防守强度，孙悦也得到上演NBA处子秀的机会。孙悦上演NBA常规赛首秀，比赛还有1分34秒时，孙悦接武贾西奇传球后，中距离跳投命中，拿下在NBA的第一分。他3投2中得到4分，但是也有犯规。比赛还有1分17秒时，他接球后直接上篮，再度得手，湖人以101-85领先。湖人顺利破百，而孙悦也踏出了个人的历史性一步。最终孙悦得到4分4犯规，湖人主场105-92轻取雄鹿。
2009年3月7日，洛杉矶湖人将孙悦下放至NBDL，在湖人的附属球队捍卫者队效力。首轮先发出场11分7助攻3篮板，最终洛杉矶捍卫者108：103阿纳海姆兵工厂队。
2008-09赛季效力洛杉矶湖人队，由于保罗·加索尔、科比·布莱恩特、拉玛尔·奥多姆等人的出色表现，湖人队获得NBA总冠军，他同时也是继巴特尔之后第二位获得总冠军戒指的中国球员。整个赛季孙悦代表湖人出战了10场比赛并贡献了总数6分、2次助攻、1次抢断、1次盖帽、3次失误和10次犯规的数据，而他也两度被球队下放到NBDL联盟。
2009年8月1日NBA官网报道，洛杉矶湖人正式宣布裁退中国球员孙悦。
尼克斯时期
2009年9月18日，孙悦与尼克斯签订合同，纽约媒体报道其得到了一份“部分保障合同”。
2009年10月8日，孙悦被NBA球队尼克斯裁掉。
2010年6月25日，北京奥神俱乐部收到来自NBA华盛顿奇才队的夏季联赛邀请函，孙悦身披奇才队战袍参加NBA夏季联赛比赛。孙悦曾在2007年夏天参加过奇才队的选秀前训练营。
CBA生涯
奥神时期
孙悦的父亲是名业余篮球运动员，母亲也曾入选了河北青年女篮队，1995年，10岁的孙悦开始打篮球，从此步入篮球职业生涯。
1999年，北京奥神队在河北沧州打表演赛，孙悦的父亲和孙悦的启蒙教练极力推荐孙悦。奥神队总经理将孙悦的比赛，以及技术特点制作成录像带回队磋商，经过教练组的讨论后，当时1.87米的孙悦跟着奥神队进了北京。三个月的试训期结束后，孙悦在奥神立稳了足。
刚进奥神队时孙悦继续出任组织后卫，但是由于年龄和经验上的差距，他经常在比赛中出现失误，在球队进攻的组织环节也做得不甚理想。经过奥神队主帅的精心调教，以及队友的帮助，尤其当时奥神队的主教练是美国教练，孙悦的进步非常明显。此后，孙悦开始在征战CBA联赛的过程中崭露头角。
2004年5月17日，奥神俱乐部与篮协未达成协议，拒绝让孙悦到国青队报到，奥神队遭篮协处罚。当年6月9日，中国男篮的第二阶段集训名单中尤纳斯再次将孙悦放进了名单，不过由于奥神俱乐部与篮协之间的问题，奥神未放行。经过努力，6月23日孙悦在广州与中国男篮会合。6月30 日奥神俱乐部向中国篮协递交书面申请，放弃参加CBA联赛，孙悦也失去了在CBA继续征战的希望。
首钢时期
2013年9月，奥神老板李苏因为心梗于18日已经去世。孙悦、张松涛、李伟、黄海贝四名球员租借至北京男篮。
2013年10月11日，北京首钢在万事达中心与皇家马德里进行了热身赛，孙悦加盟北京队之后首次亮相，拿下6分。现场的北京球迷中有男球迷大胆示爱孙悦。
2014年3月30日，CBA总决赛第六战打响，北京98-88战胜新疆，大比分4-2夺冠。孙悦9投6中高效率贡献了18分6篮板2抢断1盖帽1助攻，是全队仅次于双外援的队员，从而成为历史上第一个同时拥有NBA和CBA总冠军戒指的球员。
2014年8月13日，孙悦和北京首钢篮球俱乐部正式签下合约。孙悦与北京首钢队签约五年。
2017年9月13日，北京首钢篮球俱乐部官方宣布，孙悦因脚踝伤病发展严重，赛季报销。
国家队生涯
2005年，十运会预选赛孙悦代表河北省男篮参赛，赛后尤纳斯对2.05米的孙悦大加赞赏。此后孙悦首次入选国家男篮队，但只是进了集训名单。在后来的斯坦克维奇洲际冠军杯赛上，在中国队与波多黎各队的比赛中，孙悦在25分钟的出场时间6投5中，取下了全队第三高的14分。
2005年首次入选国家队集训名单的孙悦，在当年的斯坦科维奇杯洲际冠军杯比赛中崭露头角，在对阵波多黎各队的比赛中，孙悦独得14分。
2005年9月，孙悦随中国男篮出征多哈第二十三届亚洲男篮锦标赛，为中国带回了冠军。
2006年孙悦代表中国队参加了在日本举行的男篮世锦赛，这是孙悦第一次代表国家队参加世界大赛，平均每场出战13.5分钟，得到1.3分、1.2个篮板和2次助攻。
2009年亚锦赛孙悦场均得到6分、2.5个篮板，经过NBA磨砺的孙悦，在防守端表现出来更大的侵略性，投篮技术也有所提升。
2010年土耳其世锦赛，由于朱芳雨的离去，出任小前锋的孙悦肩上的担子变得很重，在这支没有姚明和朱芳雨的球队中，作为球队的核心球员之一，场均得到11.8分2.5助攻2抢断。
2011男篮亚锦赛9月15日对阵巴林，这是中国男篮亚锦赛上的第一场比赛，孙悦在开场1分钟就命中了中国队本届亚锦赛的第一记三分球，从此便一发不可收拾，9场比赛一共投中13记三分球，这一数据也是全队之最，决赛，孙悦得到4分5篮板4助攻4盖帽，帮助中国队男篮以70-69战胜约旦男篮，得到一张伦敦奥运会的入场券。赛后被曝肩膀脱臼的他也以9场比赛场均1.8次抢断独霸本届亚锦赛的抢断榜。
2012年伦敦奥运会，孙悦入选中国男篮12人大名单，代表国家队出战。
2013年男篮亚锦赛，孙悦对阵韩国的比赛，孙悦出场了27分钟，5次出手只命中1球，得到了2分，3助攻，2抢断，而面对强敌伊朗，孙悦在19分钟的出场时间里3投0中，一分未得。在4场比赛中场均只能拿到3.5分2.75个助攻和2个篮板，三分命中率仅有16.7%，前4场比赛两分球只出手了5次，命中1个。最终，中国男篮只收获第五名的成绩。
2015年3月孙悦因为右肩脱臼将错过长沙举办的亚锦赛。
