1921年，孙维世出生在一个革命家庭，父亲孙炳文是周总理的早年战友，1927年在大革命中因揭露蒋介石的反革命阴谋而被捕牺牲，当时孙维世才6岁。
父亲去世后，她的母亲任锐担心别人知道女儿是革命烈士的后代，为了不引起反动派的注意，就把孙维世的名字改为“李琳”，并送她到上海东方话剧社进行学习。
1937年，抗日战争爆发，上海很快被侵华日军占领，瞬间生灵涂炭。考虑到孩子的安全，任锐当即终止了孙维世的学业，想为孩子找一个安身立命之所。就在此时，她得知丈夫的好友周恩来在武汉八路军办事处时，便决定让年仅16岁的孙维世跟随哥哥孙泱跑到八路军驻武汉办事处去投奔周总理，兄妹两历尽艰险来到武汉八路军办事处。但是办事处的人谁也不认识他们。情急之下，孙维世站在门口大声的哭了起来。后来周总理见到孙维世和她的哥哥，回想起和他们的父亲孙炳文的革命友谊以及他们家的悲惨遭遇，周总理决定让哥哥孙泱参军，由于孙维世的年龄太小，周总理便将她留在身边并收养为干女儿。
在周总理的倾情教育与革命情怀的影响下，孙维世决心要做一个对祖国有贡献的人，以报答周总理的养育之恩。1938年，在周总理的同意下，17岁的孙维世加入了中国共产党。因为她学习过话剧表演，便加入了上海戏剧界救亡演剧队，为激发民众的抗日热情起到了非常积极的作用。
1939年的一天，正在抗日军政大学学习的孙维世得知养父周总理意外从马上摔断胳膊时，她立即暂停了学习，跑到周总理的身边。毛主席见周总理伤势严重，因当时的国内形势复杂，医疗水平有限，便决定把周总理送到苏联接受诊疗。孙维世得知周总理要去苏联治疗时，也想跟随周总理一起。
但是周总理考虑到当时的党的经费以及孙维世的学业问题，便拒绝了她的想法。孙维世知道周总理的原则性很强，于是她转了个弯，跑去向毛主席汇报想跟随周总理去苏联治疗的想法。当时她的理由是可以一边照顾周总理，一边在苏联学习。
毛主席见孙维世虽然很稚嫩，但是却很懂事，便欣然答应了她的请求。就这样孙维世如愿跟着周总理去了苏联。到了苏联后，周总理的伤势经过一段时间的治疗后，得到缓解。孙维世便一心投入学习中，除了必要的吃饭睡觉，其余时间几乎都用在了学习上，并幸运的进入到莫斯科东方大学的表演系读书深造。在东方大学学习期间，孙维世的各科成绩都非常优秀，这让周总理倍感欣慰，她也因此得到了周总理的夸奖。
由于孙维世的刻苦学习，感动了中央，于是周总理在伤愈回国前得到中央的批准，孙维世可以继续在苏联接受教育。正是因为在莫斯科东方大学的学习，让她的表演事业得到长足发展。这也为后来回国投身于中国电影话剧的事业奠定了坚实的基础。
回国后的孙维世，毫不犹豫地投入到话剧电影演绎的生涯中。她想要通过积极向上的作品，来鼓励劳动人民投入到建设祖国中去。为此她先后和同志们创作出非常多精彩的作品，如《保尔·柯察金》，这是新中国第一次规范地、并且形成规模地排演的一部话剧；《万尼亚舅舅》，这是一部在舞台的完整性，情感深度以及渲染力上都达到了极高造诣的演出。它让观众真正感受到了话剧的魅力；孙维世还非常尊重劳动人民，为此，她深入艰苦的大庆油田，导演出著名的话剧《初升的太阳》，这是新中国第一部与群众演员合作的艺术作品，把大庆精神淋漓尽致的展现出来。除此之外，孙维世还担任过中央戏剧学院导演训练班的班主任，为新中国培养了一批优秀的导演人才。经过她的不懈努力，新中国的话剧导演、演绎体系被完整的搭建起来。