1921年，孙维世出生在一个革命家庭。

1934年，12岁时在北平贝满女中上学。

1937年，随兄长孙泱到武汉八路军办事处。

1938年，加入中国共产党。抗日战争爆发后，参加上海戏剧界救亡演剧队，后赴延安，在抗日军政大学、马列主义学院学习。

1949年4月，孙维世在北京西郊万安公墓买了一块墓地，安葬了生母任锐，并请周恩来题写了墓碑。同时，她又在母亲墓的东侧买下生父墓地，准备把生父孙炳文的遗骸从上海移来北京，与母亲任锐合墓。

1949年12月，随同毛泽东出访苏联，任翻译组长。

1958年，孙维世因病住院治疗。邓颖超赶往医院看望了她，回家后仍觉得不放心，又给孙维世写了一封信。

1966年5月3日，周恩来总理第三次视察大庆，接见正在大庆深入生活的孙维世。

1967年9月，江青、陈伯达在接见北京大专院校红卫兵的时候，两人异口同声：中国人民大学副校长孙泱（孙维世之兄）是坏人，是日本特务、苏修特务和国民党特务。几天后，孙泱惨死在中国人民大学的地下室里。

1967年12月，江青以“特嫌”的罪名，把孙维世的丈夫金山投进了监狱。借搜查金山“罪证”之名，对孙维世进行抄家，抄走孙维世大量信件照片。

1968年3月1日深夜，孙维世家里的房门被敲响，被加上了“苏修特务”的罪名。一群人冲进屋来，什么话也不说，拉着孙维世就朝外面走。汽车在外面转了不知多久才停下，孙维世被关进一间黑黑的屋子，孙维世打得遍体鳞伤。连夜审讯。逮捕孙维世的并非公安机关，而是一批空军部队的现役军人，他们是根据叶群的指示将孙维世抓走的，而叶群又是依照江青的指示行事的。为了阻止周恩来营救，他们没有将孙维世关进秦城监狱，也没有送到军队“看管”，而是关入北京市公安局一个秘密的看守所，将孙维世改为“孙伪士”，并定为“关死对象”。

1968年10月14日，孙维世被活活打死，死后的孙维世浑身布满伤痕，冰冷的手铐脚镣仍紧紧地锁着她的四肢，据说头颅中还被插进一根长长的钉子。孙维世死时年仅47岁，一代才女、红色专家如流星般陨落历史的尘埃。 

“文革”结束后，被释放出来的金山和孙新世等人一起为孙维世的冤案奔走呼吁。在党中央和许多主持正义的领导人的关心下，孙维世的冤案终于被平反。1977年6月9日，文化部艺术局在八宝山革命公墓为孙维世举行遗像安放仪式，给这位人民的艺术家平反昭雪。

历任中国青年艺术剧院导演兼副院长，中央戏剧学院导演干部训练班主任，中央实验话剧院总导演、副院长，中国剧协第一届常务理事、第二届理事，是第二至四届全国政协委员。