1918年2月（7岁）就读本村小学，1924年12月小学毕业。翌年春，考入复州城内复县初级中学。1927年11月间，孙作云对学校处分学生不满，参与学生罢课，遂被除名。经过自修和补习之后，1928年（16岁）考入沈阳东北大学附属高级中学。他冬夏不辍，如饥似渴地阅读大量的文学作品和理论方面的著作，受到新思想的熏陶，对左翼新文学发生了浓厚的兴趣，粗浅地认识到文学在社会生活中所占的地位。孙作云曾担任附中校刊的编辑。
荷角初露
1936年（24岁）毕业，获文学学士学位，同年秋天考入清华大学研究院文科研究所，导师是闻一多先生。这一时期，孙作云主要致力于《九歌》研究。发表的论文有《〈九歌〉司命神考》《〈九歌〉湘神考》（此文为大学毕业论文）、《〈九歌〉非民歌说》，译有青木正儿《〈楚辞·九歌〉之舞曲的结构》。孙作云的学术研究是从《九歌》发轫的，古代的祭祀，与其阶级地位相适应，《九歌》中的天神、地祇不是普通百姓所能祭祀的。于是，提出《九歌》是楚国国家祀典的乐章，这种学说成为《九歌》研究中影响很大的流派。孙先生沿着闻氏的治学途径，把《九歌》的研究向前推进了一步。
1937年“七七"卢沟桥事变爆发，战争的阴云笼罩着清华校园，炮声、飞机声隆隆震耳。7月19日,孙作云送闻先生回湖北浠水老家后，闻讯祖母病故，于9月29日奔丧故里，终止学业。1938年7月重回北京，在“东方文化事业委员会"任编纂，参与续修四库全书总目提要的工作，历时三年有余。编成《经类·诗经类目录》《史部·金石类目录》各一本，助编《子部·艺术类目录》一本，补写《史部·地理类·方志之属》东北县数篇及《子部·艺术类·食谱之属及游戏之属》提要10余篇。
1941年秋，孙作云受聘于北京大学文学院，任讲师、副教授，讲授“中国古代神话研究”、“民俗学”、《楚辞》、“中国古代史”诸课。此时，除撰写《〈九歌·东君〉考》（1941年）外，全部精力集中于史前史的研究。主要著述有：《蚩尤考——中国古代蛇氏族研究》（1941年）、《夸父盘瓠犬戎考》（1942年）、《飞廉考——中国古代鸟族之研究》（1943年）、《鸟官考——由图腾崇拜到求子礼俗》（1943年）、《饕餮考——中国铜器花纹之图腾遗痕之研究》（1944年）、《后弈传说丛考——夏初蛇、鸟、猪、鳖四族之斗争》（1944年）、《中国古代鸟氏族诸酋长考》（1945年）、《说鸱尾——中国建筑装饰上图腾遗痕之研究》（1945年）、《释姬——周先祖以熊为图腾考》（1945年）。
1957年重写时改名《周先祖以熊为图腾考》《泰山之礼俗研究》（1942年北京大学铅印讲义本）。“八考"之中多发前人所未发，用图腾崇拜去探索中国古代神话传说的底蕴。论证了蚩尤以蛇为图腾，商人以燕子（玄鸟）为图腾，周人以熊为图腾，我国古代史的“三代"是由三个氏族发展扩充而来的，对我国氏族社会的图腾制度具有开拓性研究。由于从事图腾制度的研究，许多朋友戏谑孙作云谓“孙图腾”。孙作云从《九歌》漫延到神话传说、民俗的研究，不能不追溯到学生时对《九歌》的研究。《九歌》是一篇抒情诗，它所描写的许多神祇，既具有神话的研究价值，又与古代的祭祀典礼相关联，也具有民俗学的研究价值。因此《九歌》的研究促使孙作云旁及神话传说和民俗学的开拓。
此间，孙作云还在北京师范大学兼课，在中国留日同学会出版的杂志任编辑。有一次孙作云请齐白石画一幅螃蟹，暗喻日本帝国主义在我国横行霸道，用做目录插图，因此招致祸端，与上司吵架，愤然离职。为度日糊口，曾在中学兼教国文，略补生活的艰窘。
八年抗日战争胜利，孙作云喜悦异常。1946年至1949年，应聘东北临时大学补习班，任东北大学、长白师范学院中国文学系副教授，讲授“中国古代神话研究”、《楚辞》、《诗经》、“中国新文学研究”等课程。同时还担任沈阳博物院研究员，主编《历史与考古》《国立沈阳博物院汇刊》，编辑出版《辽海引年集》（即《纪念金毓黻先生60寿辰的论文集》）。1948年随博物院迁到北平，兼任中国大学教授。
1946～1948年间，孙作云继续从事神话传说、民俗和《楚辞》的研究工作，著有：《说丹朱——中国古代鹤氏族研究、说高跷戏出于图腾跳舞》（1946年）、《说羽人——羽人图、羽人神话、飞仙思想之图腾主义的考察》（1947年），在《东北民报》（沈阳）上连载《年前年后——从民俗学上考察年节》（1947年）、《三月三起源》（1947年）、《〈离骚〉正文的推测——离骚主义与文貌之复原》（1948年）等。
1948年年底，隆隆炮声预报古城的春晓。孙作云兴致勃勃地向学生讲《说秧歌》（未刊稿）。
不久，孙作云把长子送进革命队伍。5月间，怀着“由新生活来改造旧思想，更以新观点来批判旧学问或创造新学问”的心情投身革命，入华北大学政治研究所学习。1950年3月调进北京历史博物馆（今中国历史博物馆前身）工作，任设计员，承担中国通史展览的设计工作，提出在原始社会的陈列中，应将我国的古代神话传说与图腾信仰列为辅助材料的设想。本年加入中国史学会，与张政烺、李光壁等先生发起与创办《历史教学》杂志，任编委。《历史教学》于1951年正式出版发行，这是我国建国后最早的史学刊物之一。
1952年应聘调至新乡市的平原师范学院（今河南师范大学）任教授，讲授中国古代史、中国文学史两门课程。全国院系调整后，孙作云执教于河南大学历史系，主讲中国古代史、中国文学史、历史文选、《诗经》选读等课程。孙作云还担任古代史教研室副主任、《史学月刊》编委、校学术委员会委员、中国人民政治协商会议河南省第四届委员会委员等职务。
解放后，孙作云经过政治理论学习，掌握了用马克思主义的立场、观点、方法去研究学习，认识上进入了一个新的境界，促进了学术研究水平的提高，发表许多论文，如《从上官大夫夺稿说到屈原因〈离骚〉而得祸》（1952年）、《屈原在楚怀王时被放逐的年代》（1953年）、《在历史教学中怎样处理屈原问题》（1954年）、《论〈国殇〉与〈九歌〉的写作年代》（1956年）、《〈大招〉的作者及其写作年代》（1957年）、《读〈史记·屈原列传〉》（1959年）、《屈原的放逐问题》（1961年）、《〈楚辞·九歌〉之结构及其祀神时神、巫之配置方式》（1961年）、《〈离骚〉的主要错简》（1962年）、《从〈离骚〉的写作年代说到〈惜颂〉、〈抽思〉及宋玉〈九辩〉的相互关系》（1962年）、《汉代司命神像的发现》（1963年）、《〈九歌〉与民歌的关系》（1963年）、《从〈天问〉看夏初建国史》（1978年）、《屈原及其作品编年》（1979年）、《论〈楚辞·天问〉对于我国上古史研究的贡献》（1979年）、《说〈九歌·东皇太一〉为迎神曲〈礼魂〉为送神曲》（1980年）、《屈原和河南》（1982年）、《秦诅楚文释要》（1982年）、《〈楚辞·天问〉与楚国庙壁画》（1983年）等20余篇。
四十多年来，楚文化始终是孙作云研究的主要课题，用力最勤，占全部论文约三分之一，是获得成就最大的一个领域，在国内外学术界产生一定的影响。为了自励，孙作云的书斋取名”楚风堂"，表示自己以《楚辞》和《诗经》为毕身从事研究的志向。
1966年“文化大革命"伊始，孙作云被诬为“反动学术权威"，“横扫"到“牛鬼蛇神"之列。在险恶的条件下，仍孜孜不倦地奋力求索，毫不气馁。1974年的盛夏，全然不顾溽暑之苦，着笔早在四十年就立意写的《〈天问〉研究》。在致史树青先生的信中说：“因注《天问》，专心致志，苦思冥想，思与屈原神会。"洋洋30万言的《〈天问〉研究》竟然不到一年的功夫便脱稿了。先生根据屈原的其他作品、根据历史事实、根据考古发现的材料，对《天问》进行了全面地系统地研究，多发前人所未发。在闻一多先生之前，向来无人认为有错简，闻先生只揭发“吴国争光，久余是胜"一条，郭沫若先生只指出“优匿穴处爰何云，寤过改更，我又何言"，但未及其他；而孙作云改正了今天《天问》顺序的三分之一，凡30余句，把散落在夏、商、西周各代的错简整理出来，使《天问》春秋七章自然归成一组，各得其所，前后文义连贯，面目一新。孙作云对错简的整理，不仅有内证《屈原作品本身证明》，而且有考古学上的证明，即用徐州画像石、吉林辑安通沟壁画墓、山东武梁祠画像石的材料，为恢复春秋七章提供了铁证。对于古代的神话传说，采用民俗学的方法进行剖析。“伯禹腹鮌"是父系氏族社会产翁制的遗俗，揭发众说纷纭的千秋疑案。孙作云撰《屈原传》（未刊稿）之后，决意沿着屈子所走过的道，访古寻幽，考察山川风物，体验屈子的章句，然终未能如意。
个人成就
《诗经》的研究，是孙作云获取重大成果的一个领域。从五十年代开始，史学界讨论中国古代史的分期问题，孙作云以《诗经》为基础，旁证其他材料，从分析反映土地制度（公田与私田）和剥削形式的诗入手，说明西周如何从封建领主进入地主制的过程，考证周人在原始社会以熊为图腾，从后稷起进入父系氏族公社，到公刘时代已进入阶级社会，文王之世已进入封建社会。先生又用民俗学的方法去分析《诗经》，发现23首恋歌的奥秘，它们都与上巳节（三月三）祭祀高媒、祓禊的民间风俗有关。先生又从《大雅·桑柔篇》的研究中证明了厉王奔彘，是我国历史上第一次农奴大起义。范文澜先生读到这篇文章后来信说：“为西周封建论添一支援军，从《大难·桑柔篇》找到证说，是一个新发现。我好久不在这个问题上用心，得读大著，觉得新鲜可喜，陈陈相因，了无新证言论，实厌见庆闻也"。孙作云把研究《诗经》的十五篇论文辑入《〈诗经〉与周代社会研究》一书中，28万字，1966年由中华书局出版。“他的研究及其所用的方法与闻氏一脉相遇,不过更偏重于史学而已。"此外，孙作云还发表了《〈诗经〉的史料价值》（1956年）、《从读史方面谈谈〈诗经〉的时代性地域性》（1957年）、《说豳在西周时代为北方军事重镇〈兼论军监〉》（1983年）等论文。
七十年代，我国相继发掘出许多汉代壁画墓、画像石墓，孙作云以研究中国古代神话和楚文化的雄厚功底，进而去探索它们的内涵。认为汉代人主要迷信是升仙与打鬼，因而有人称孙作云是“打鬼教授"。这一时期发表的论文有《长沙马王堆一号墓出土画幡考释》（1973年）、《长沙出土的汉墓帛画试释》（1973年）、《马王堆一号墓漆棺画考释》（1973年）、《洛阳西汉壁画墓中的傩仪图》（1977年）、《洛阳卜千秋墓壁画考释》（1977年）、《河南密县打虎亭东汉画像石墓雕像考释》（1978年）、《中国古代器物纹饰中所见的动植物》（1980年）、《洛阳西汉壁画考释》（1987年）等。1973年5月在日本东京“中华人民共和国河南画像石、碑帖拓片展览"上，孙作云为河南博物馆选展汉代画像石五十幅拓片，一一写出解说词，作了默默无闻的贡献，为祖国赢得了荣誉。孙作云对画像石、壁画墓中的神怪画，与古代的礼俗相融合，与神话传说相贯通，见解独到。
在“文化大革命"中，孙作云被赶到农场劳动两年有余，遭受许多劫难。粉碎“四人帮"后孙作云欣喜若狂，努力搞好教学，勤奋著述，向学校提交《关于政教、语文、历史互为副系的意见》，对教学体制改革提出看法，重新制定出科研规划，力争在自己研究的领域内，做出新的贡献。要超过外国人，为中国人争一口气！我们有这么多丰富的典籍，就应该创造出无愧于前人的研究成果！
著作书目
《〈九歌·山鬼〉考》（1936年《清华学报》第11卷第4期）
《论现代派诗》（《清华周刊》1935年5月）
《经类·诗经类目录》、《史部·金石类目录》（1938年7月起，参与主编）
《子部·艺术类目录》（1938年7月起，助编）
《史部·地理类·方志之属》东北县数篇、《子部·艺术类·食谱之属及游戏之属》提要10余篇（1938年7月起，补写）
《蚩尤考——中国古代蛇氏族研究》（1941年）
《夸父盘瓠犬戎考》（1942年）
《飞廉考——中国古代鸟族之研究》（1943年）
《鸟官考——由图腾崇拜到求子礼俗》（1943年）
《饕餮考——中国铜器花纹之图腾遗痕之研究》（1944年）
《后弈传说丛考——夏初蛇、鸟、猪、鳖四族之斗争》（1944年）
《中国古代鸟氏族诸酋长考》（1945年）
《说鸱尾——中国建筑装饰上图腾遗痕之研究》（1945年）
《释姬——周先祖以熊为图腾考》（1945年），1957年重写时改名《周先祖以熊为图腾考》
《泰山之礼俗研究》（1942年北京大学铅印讲义本）
主编《历史与考古》、《国立沈阳博物院汇刊》，编辑出版《辽海引年集》（即《纪念金毓黻先生60寿辰的论文集》）
《说丹朱——中国古代鹤氏族研究、说高跷戏出于图腾跳舞》（1946年）
《说羽人——羽人图、羽人神话、飞仙思想之图腾主义的考察》（1947年）
《年前年后——从民俗学上考察年节》（1947年）在《东北民报》〈沈阳〉上连载
《三月三起源》（1947年）
《〈离骚〉正文的推测——离骚主义与文貌之复原》（1948年）
《从上官大夫夺稿说到屈原因〈离骚〉而得祸》（1952年）
《屈原在楚怀王时被放逐的年代》（1953年）
《在历史教学中怎样处理屈原问题》（1954年）
《论〈国殇〉与〈九歌〉的写作年代》（1956年）
《〈诗经〉的史料价值》（1956年）
《从读史方面谈谈〈诗经〉的时代性地域性》（1957年）
《〈大招〉的作者及其写作年代》（1957年）
《读〈史记·屈原列传〉》（1959年）
《屈原的放逐问题》（1961年）
《楚辞〈九歌〉之结构及其祀神时神、巫之配置方式》（1961年）
《〈离骚〉的主要错简》（1962年）
《从〈离骚〉的写作年代说到〈惜颂〉、〈抽思〉及宋玉〈九辩〉的相互关系》（1962年）