光绪三十年（1904），孙丹林考入山东大学。光绪三十一年（1905）由同盟会山东支部负责人徐镜心介绍加入同盟会。此后，他以蓬莱城里华提士药房为活动中心和联络点，传播革命思想，先后发展同盟会员20余人。宣统三年（1911），孙丹林遵照同盟会山东支部指示，组织蓬莱同盟会员进行攻打登州的内应准备工作。1912年1月11日，他亲赴大连，带领革命军乘船渡过渤海海峡，于15日凌晨在蓬莱水城登陆，在蓬莱同盟会员的配合下，一举攻占蓬莱城，成立登州军政府，孙丹林任军政府总秘书长兼军事参谋。登州军政府被袁世凯解散后，孙丹林调任高苑知县。

　　1919年，孙丹林前往湖南充吴佩孚戎幕，力促吴佩孚支持五四学生运动，为吴佩孚起草电文，通电全国。1921年秋，开始与中共党员李大钊交往，筹商推翻徐世昌之伪国会。1922年，孙丹林任北洋政府内务次长、内务总长。同年10月，黎元洪突然召开临时紧急国务会议，拟逮捕中共党员40余名，黎展示名单，李大钊名列首位。众阁员皆不言语。黎元洪问孙丹林有何意见。孙丹林不赞同。黎说:“维持治安秩序权归内务部，何以对此有异议?”孙答:“思想自由、信仰自由乃人民之特权、各国之通例，研究共产主义即刷新政治之贪污黑暗，实现人民生活自由，他们研究改良进步等，于国于民皆有裨益，何必取缔?”黎说:“若有扰乱秩序，谁负其责?”孙回答:“我以身家性命负完全责任。”黎元洪当即批以“缓办”二字。孙丹林立即密告李大钊，建议“暂缓活动”，并嘱同志暂避，以防不虞。

　　1923年，孙丹林因母丧脱离政界，后任上海市中国兴业银行总经理。1937年“七·七”事变后，日本人邀孙丹林任伪职，孙不为所屈。1943年冬，孙丹林微服脱险至重庆，蒋介石以孙为同盟会员，在沦陷区又不为日伪所用，遂委以国民政府顾问之职。

　　中华人民共和国成立后，孙丹林被聘为中央文史馆高级馆员。1971年病逝，终年85岁。