Après des études littéraires à Tianjin, puis aux États-Unis (université du Wisconsin, université Columbia et École de cinéma de New York), il retourne en Chine en 1927 pour commencer, trois ans plus tard, sa longue carrière de metteur en scène avec deux films très remarqués, dont Rêve de printemps dans l'antique capitale (Gudao chun meng, 1930) et Herbes folles et Fleurs sauvages (Ye cao xian hua, id.), uvres qui seront suivies notamment par Du sang sur le volcan (Huoshan qingxue, 1932), la Rose sauvage (Ye meigui, id.) et, surtout, par le Petit Jouet (Xiao wanyi, 1933) et la Route (Da lu, 1934, l'un des plus solides classiques du cinéma chinois, où il inaugure un nouveau réalisme qui va bien au-delà du constat ou de la critique antérieurs) ; il a également écrit le scénario de ce dernier film comme celui d'un des sketches de Symphonie de la Lianhua (Lianhua jiao xiang qu, 1937). Entre les deux, il a mis en scène une adaptation de la pièce de James Barrie Admirable Crichton, Retour à la nature (Dao ziran qu, 1936), témoignant ainsi d'une rare capacité à renouveler les sources du cinéma national par des emprunts à la littérature étrangère, puisque Herbes folles et Fleurs sauvages était déjà fortement influencé par la Dame aux camélias. Lorsque Shanghai tombe aux mains des Japonais, il s'intègre à une troupe de théâtre itinérante avant de gagner Hankou, où il écrit et réalise Dix Mille Lis dans le ciel le Ciel immense (Changkong wanli, 1940) après avoir été empêché par les autorités du Kuomintang de mener à bien un autre projet. Il signe la même année Baptême du feu (Huode xili, id.). De retour à Shanghai après la reddition japonaise, il y fonde avec d'autres cinéastes la société cinématographique Kunlun, en 1947, et revient à la mise en scène avec la Vie de Wuxun (Wu Xun zhuan, 1950). Ce film historique déchaîne la colère de Jiang Qing, provoque une intervention publique de Mao Zedong et ouvre pour le cinéma chinois une période de critique politique qui le stérilise (un seul film de fiction réalisé en 1951) et dont les conséquences se feront encore sentir plus de vingt ans plus tard. La carrière de Sun Yu semble alors terminée, comme semble compromise celle du grand acteur Zhao Dan, incarnation de Wu Xun à l'écran. Il reparaît pourtant à la faveur de la campagne des Cent Fleurs grâce à une comédie optimiste Avec le vent en poupe (Cheng feng po lang, 1957) suivie de la Légende de Lu Ban (Lu Ban de chuanshuo, 1958). En 1960, il met en scène son dernier film Qin niang mei, un opéra du Sichuan.
