主要从事植物分类学、植物区系及生物地理学以及进化生物学等领域的研究。在青藏高原、中国喜马拉雅植物区系、生物地理格局形成以及含羞草科、蝶形花科等植物类群有深入的研究。长期对青藏高原植物多样性形成、演化以及适应机制等方面的开展系统深入的研究，并形成了研究特色：（1）揭示了青藏高原高山植物多样性的起源、地理格局的形成机制，丰富了生物地理格局进化和形成的理论，形成了鲜明的研究特色；推动我国的植物区系地理学的研究进入到了由现象描述到机理解释的时代；（2）在青藏高原高山植物多样性适应机制研究方面，发现了高山植物适应性进化（雪莲、塔黄特殊结构以及贝母伪装色彩进化）新机制，取得了系列原创性的重要成果；推动了我国高山植物功能生态学研究实现“从无到有”的转变；（3）在青藏高原在植物区系的调查和收集方面成绩突出，主持（或参加）青藏高原、横断山以及西南大部分地区，老挝、乌兹别克斯坦等的考察，采集植物标本共计20000余号，10万余份。特别是对雅鲁藏布江（墨脱地区）进行了长达8个多月的越冬考察，获取了大量的第一手材料，填补了许多植物区系调查研究薄弱的区域的资料不足或空白，为中国植物学及生物多样性的研究做出了贡献；得到了同行的广泛认可，并在植物多样性研究中（如植物志，专著研究和分类学订正，物种名录等）中被广泛引用。由于成绩显著，国内外学者以“孙航”名字命名了1个新属和十余个新种。

现任中国科学院昆明植物研究所所长、云南省植物学会理事长，为Botanical Journal of the Linnean Society、Journal of Biogeography、Frontiers in Ecology and Evolution杂志的副主编，担任《Flora of Pan-Himalaya》副主编、《Flora of Uzbekistan》编委会副主席、《云南植物志》编委和《神农架植物志》主编。

​获云南省自然科学院一等奖、中国科学院自然科学二等奖，以及竺可桢野外科学考察奖、中国科学院青年科学家一等奖、方树泉青年科学家奖、科技部野外科学工作先进个人、青藏高原科技奖、中国科学院研究生院优秀导师称号、朱李月华优秀教师称号等。

    主编《雅鲁藏布江大峡弯河谷地区种子植物》、《横断山高山冰缘带种子植物》和《中国自然地理-植物地理》（副主编），《云南省生物物种名录（2016版）》、《云南省生物物种红色名录（2017版）》、《云南省自然生态系统名录（2018版）》、《云南省外来入侵物种名录（2019版）》及《横断山有花植物图鉴》（共同主编）；参编《横断山区维管植物》（上下）、《Flora of China》、《Plants of China》、《Data Mining for Global Trends in Mountain Biodiversity》、《中国种子植物区系地理》、《种子植物分布区类型及其起源演化》、《云南植物志》、《云南树木图志》、《云南高山花卉》等专著。

    以通讯作者（含并列）或第一作者发表论文300余篇，包括Nature Communicateions, Current Biology, National Science Review, Trends in Ecology and Evolution, New Phytologist, Proceedings of the Royal Society B-Biological Science, Journal of Biogeography, Molecular Ecology, Cladistics, Journal of Vegetation Sciences, Molecular Phylogenetics and Evolution, Ocologia, Taxon等学科领域重要期刊。

主持国家杰出青年基金项目、国家自然科学基金重大项目、多项国家自然科学基金重点项目（包括联合基金重点项目）、国家自然科学基金重大国际合作项目、国家自然科学基金地区合作项目、多项国家自然科学基金面上项目以及科技部基础工作专项重点项目、科技部国家重点研发计划、中国科学院创新团队国际合作伙伴计划及重要方向项目等。

已指导学生

陈家辉  博士研究生  071001-植物学  

乐霁培  博士研究生  071001-植物学  

张大才  博士研究生  071001-植物学  

聂泽龙  博士研究生  071001-植物学  

王恒昌  硕士研究生  071001-植物学  

彭玉兰  硕士研究生  071001-植物学  

聂泽龙  硕士研究生  071001-植物学  

涂铁要  硕士研究生  071001-植物学  

涂铁要  博士研究生  071001-植物学  

孟盈  博士研究生  071001-植物学  

张永洪  博士研究生  071001-植物学  

张建文  博士研究生  071001-植物学  

陈高  博士研究生  071001-植物学  

杨扬  博士研究生  071001-植物学  

张体操  博士研究生  071001-植物学  

朱卫东  博士研究生  071001-植物学  

范邓妹  博士研究生  071001-植物学  

钱子刚  博士研究生  071001-植物学  

岳亮亮  博士研究生  071001-植物学  

牛洋  博士研究生  071001-植物学  

李新辉  博士研究生  071001-植物学  

蹇洪英  博士研究生  071001-植物学  

徐波  博士研究生  071001-植物学  

王焕冲  博士研究生  071001-植物学  

李国栋  博士研究生  071001-植物学  

陈建国  博士研究生  071001-植物学  

周卓  博士研究生  071001-植物学  

王洽  硕士研究生  085238-生物工程  

陈永生  硕士研究生  071001-植物学  

宋波  博士研究生  071001-植物学  

朱鑫鑫  博士研究生  071001-植物学  

罗冬  博士研究生  071001-植物学  

杨斌  硕士研究生  071001-植物学  

彭德力  博士研究生  071001-植物学  

邓涛  博士研究生  071001-植物学  

常帅  博士研究生  071001-植物学  

王志威  博士研究生  071001-植物学  

陈洪梁  硕士研究生  071001-植物学  

李彦波  硕士研究生  071001-植物学  

陈哲  硕士研究生  071001-植物学  

王洽  博士研究生  071001-植物学  

陈永生  博士研究生  071001-植物学  

阳亿  硕士研究生  071001-植物学  

钱栎屾  硕士研究生  071001-植物学  

杨丽娥  博士研究生  071001-植物学  

李萌  博士研究生  071010-生物化学与分子生物学  

孙文光  博士研究生  071001-植物学  

陈洪梁  博士研究生  071001-植物学  

徐奇  硕士研究生  071001-植物学  

黄先寒  博士研究生  071001-植物学  

孙露  博士研究生  071001-植物学  

陈哲  博士研究生  071001-植物学  

张亚洲  博士研究生  071001-植物学  

王双华  博士研究生  071001-植物学  

现指导学生

彭俊楚  博士研究生  071001-植物学  

史鸿华  硕士研究生  071001-植物学  

钱栎屾  博士研究生  071001-植物学  

陈序昉  硕士研究生  071001-植物学  

匡田辉  硕士研究生  071001-植物学  

陈俊通  博士研究生  071001-植物学  

付全升  硕士研究生  071001-植物学  

任跃波  博士研究生  071001-植物学  

蒋康正  硕士研究生  071001-植物学  

张信坚  博士研究生  071001-植物学  

罗芃睿  硕士研究生  071001-植物学