1958年，孙沙从鲁迅美术学院附中肄业后进入长春电影制片厂演员剧团表演班学习。1962年，孙沙成为沈阳空政文工团的团员。1969年，在长春电影制片厂担任导演。1979年，担任战争电影《
济南战役》的助理导演。1981年，执导个人首部电影《
第三个被谋杀者》。
1987年，执导由
郑铮、
徐松子、杨晓君联合主演的剧情电影《
橄榄绿屋顶》，该片讲述了五个待业姑娘在一个带有橄榄绿色屋顶的小木屋发生的故事。1988年，执导剧情电影《
最后一个皇妃》。1989年，执导由
张页川、
刘毓滨合作主演的剧情电影《
西门家族》。
1990年，执导由
孔祥玉、
赵凡等联合主演的剧情电影《
大城市1990》，该片获得广播电视总局优秀影片奖。1991年，由其执导的剧情电影《
大峡谷》上映；同年，执导由
景岗山、张瑾共同主演的战争电影《
浴血红马车》。1992年，执导剧情电影《
喋血金兰》。1994年，执导由
宋春丽、
张洪杰合作主演的剧情电影《
九香》。
1995年，执导爱情电影《
大雪小雪又一年》，该片讲述了年轻的女主人公雪花和生活在七彩街邻里平凡的生活和爱情故事。1996年，由其执导的剧情电影《
红月亮》上映；同年，执导由
于慧、
吴京安、张洪杰联合主演的剧情电影《
喜莲》。
1998年，执导喜剧电影《
快乐老家》，他凭借该片获得第5届中国电影华表奖最佳导演奖。2003年，执导由
程煜、
沙景昌、凯丽联袂主演的乡村剧《
希望的田野》。2005年，执导由
丁海峰、
周小斌合作主演的乡村剧《
美丽的田野》。
2009年，执导剧情电影《
云上学堂》，该片根据“2008年度《感动中国》”十大人物之一、甘洛县二坪村山村教师李桂林、陆建芬夫妇的真实故事改编创作的。2012年，执导由
于慧、
孙海英共同主演的乡村剧《
阳光路上》。2015年，执导农村电影《
鲜花开满村庄》，该剧讲述的是新一代在外打拼的年轻人回乡创业的历程故事。
在长春电影制片厂的导演群体中，孙沙是探索精神极强且颇为执著的一位。他的探索精神首先体现在对影片题材、样式 、风格的广泛涉猎和尝试上。纵观孙沙前期的作品，很容易让人产生内容丰富多彩，但形式变幻杂爻、缺乏内在有机的联系和统一风格的印象。然而细究起来，这种形式的变幻杂爻，既与探索过程中必然出现的不确定和不成熟有关，也与时代风潮的影响分不开。尤为可贵的是，不管创作环境多么险恶，电影人的心态多么浮躁动荡，孙沙始终保持着一种不急不躁、从容自信、游刃有余的创作心态。而且不仅自己心态平和、沉着、冷静，也能把整个摄制组管理得井然有序，从而为影片创作营造了一个良好的艺术氛围（《当代电影》评）。