2002年，孙丹参加釜山亚运会并获得冠军。2003年，在全国艺术体操锦标赛上，孙丹获得个人全能冠军、单项冠军。2004年，孙丹在第二届亚洲艺术体操锦标赛获得个人全能冠军，棒操冠军，球操冠军。2005年，全国艺术体操冠军赛个人全能冠军、单项冠军。
2006年代表中国队获得世界杯总决赛第6名、在全国艺术体操锦标赛上包揽集体全能、单项冠军。2007年，在全国艺术体操锦标赛上再次包揽集体全能、单项冠军。2008年，全国艺术体操锦标赛第三次包揽集体全能、单项冠军。同一年在北京奥运会艺术体操项目上获得集体全能亚军，创造了历史性突破。2009年，获得第十一届全国运动会艺术体操大团体冠军，集体全能冠军。
孙丹退役后在北京体育大学附属竞技体校任职艺术体操教练员。2010年，带领队员在全国艺术体操集体锦标赛上获得集体全能第三名、单项第二名。2010白俄罗斯世界杯分站赛集体全能第六名。2011年，全国艺术体操锦标赛和全国青少年锦标赛上包揽少年集体全能、单项冠军。在之后的两年带领队员两次包揽全国艺术体操锦标赛少年集体全能、单项冠军和国青少年锦标赛包揽少年集体全能、单项冠军。并在2013年，全运会获得大团体冠军、个人全能亚军（
窦宝宝）。2013年中俄对抗赛获得集体全能、单项冠军。
2014年，马来西亚吉隆坡亚洲艺术体操青年锦标赛上获得集体全能亚军、单项五圈亚军、十棒季军。同年获得加拿大温哥华泛太平洋锦标赛集体全能、单项冠军。2015和2016两年，连续获得全国锦标赛、全国冠军赛、全国集体锦标赛冠军。
2018年11月，孙丹正式接手中国艺术体操队。2021年8月7日，中国艺术体操队在集体全能资格赛中排名第五晋级决赛，8月8日，在东京奥运会艺术体操团体全能决赛上，最终，中国队获得艺术体操团体全能第四名，创境外奥运会最好成绩。
2024年7月，担任2024年巴黎奥运会中国体育代表团艺术体操项目教练。8月10日，在巴黎奥运会艺术体操团体全能决赛中，中国队夺得金牌。也是中国队在该项目收获的首枚奥运金牌。