原籍四川南溪。革命烈士孙炳文之女。1935年参加上海业余剧人协会和东方剧社的进步演剧活动。抗日战争全面爆发后加入上海救亡演剧队。后由周恩来派送到延安，入中国人民抗日军事政治大学学习。1939年赴苏联，先后就读于莫斯科东方大学和国立戏剧学院，5年修完戏剧表演和导演课程。1946年回到延安后参加华北联合大学文工团工作，随军在陕、晋、冀活动。1950年起担任中国青年艺术剧院导演，先后执导的《保尔·柯察金》《钦差大臣》《万尼亚舅舅》均获很大成功。曾参与中国儿童艺术剧院的建院工作，翻译和导演了苏联童话剧《小白兔》。1954～1956年，兼任中央戏剧学院导演干部训练班主任，翻译了《导演教程》等大量苏联戏剧教材。1956年受命与欧阳予倩合作组建中央实验话剧院，任副院长兼总导演。导演的《黑奴恨》《叶尔绍夫兄弟》等都富有艺术创造性。1964年创作并导演了以大庆人演大庆人的话剧《初升的太阳》，是中华人民共和国话剧史上专家与群众相结合的一次成功创作。自20世纪50年代起，曾任全国政协委员、中国戏剧家协会理事。孙维世系统地传播了K.S.斯坦尼斯拉夫斯基的演剧理论体系，并联系中国戏剧实践创造了丰富多彩的舞台艺术。她善于把导演意图融入与演员、舞台设计人员的共同创造之中。强调演剧的真实体验及适应剧场性的表现力，并探索群众喜闻乐见的话剧民族形式，大胆吸收和运用民族戏曲的表演方法，为中国戏剧事业作出了贡献。“文化大革命”中被迫害致死。

周恩来、邓颖超与孙维世合影