初期

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孫悅受到立陶宛籍總教練尤諾斯·卡茲勞斯卡斯的青睞。[4] 2005年，孫悅入選中國國家男子籃球隊，在代表中國國家隊出戰的22場正式比賽中，孫悅每場平均拿到3.9分、2.2次助攻，2006年的多哈亞運會中國同烏茲別克史丹隊的小組賽中，孫悅砍下其在國家隊生涯單場最高的22分。[5]孫悅國家隊經歷包括，2005年隨中國隊奪得卡達多哈亞錦賽男子籃球冠軍；進入臨時改編的國家隊參加東亞運動會獲得季軍；2006年隨中國隊闖進世界籃球錦標賽12強並且奪得多哈亞運會男子籃球冠軍。

2008年北京奧運會

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2008年，孫悅參加了北京奧運，孫悅是先發得分後衛。在總共的6場比賽中，孫悅場均出場28分鐘，取得6.8分、1.7個籃板、2.5次助攻和1.33次抄截。最為人注目的是他的控球能力及封蓋能力，在分組賽對美國隊的比賽中，他就曾封蓋霍華德（D. Howard）和安東尼（C. Anthony）。美國隊的主將布萊恩（K. Bryant）及保羅（C. Paul）也盛讚這位中國隊後衛有著出色的天賦；甚至有美國媒體稱其為小一號的東尼·庫柯奇（Toni Kukoc）。[6]

2009年天津亞錦賽

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2009年，孫悅參加天津男籃亞錦賽，伊朗以72-50擊敗中國，中國止步亞軍。

2010年廣州亞運會

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2010年，孫悅作為中國國家隊主力組織後衛隨隊獲得亞運會冠軍。

2011年武漢亞錦賽

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2011年男籃亞錦賽中表現出色，在武漢體育中心進行的決賽爭奪中，東道主中國男籃以70-69戰勝約旦男籃，從而以9戰全勝的不敗戰績贏得本屆亞錦賽冠軍並獲得唯一1張直通2012年倫敦奧運會的入場券。該場比賽CCTV-5的解說嘉賓為姚明、王仕鵬，易建聯獲得該屆男籃MVP。

2012年倫敦奧運會

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在2012年奧運會比賽中

中國隊在小組賽中先後輸給西班牙、俄羅斯、澳大利亞、巴西等，小組賽未能出線。

2013年馬尼拉亞錦賽

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中國隊在第一階段小組賽負於韓國隊和伊朗隊，第二階段小組賽又遭到哈薩克史丹隊的的阻擊差點敗北，在半準決賽被中華隊完成17分大逆轉，78-96止步八強，最後勉強拿到第五，不僅創下回歸亞錦賽後中國男籃一隊的最差戰績，更失去了直接晉級2014年西班牙世錦賽的機會。

孫悅9場比賽一共只進了7球，每場平均2.2分2.8助攻，兩分命中率21%，三分命中率14%，表現差勁，更被指出他在對韓國的比賽敗局已定的情況下在板凳席上偷笑和在對印度的比賽中對防守失誤的隊友郭艾倫動粗，引發了中國球迷的不滿和嘲諷。有些人甚至在網上留言，攻擊孫悅的家人。對此，孫悅無奈地說：「外界的批評我也都虛心接受。但禍不及家人，沒打好是我自己的問題，與我家人無關。有什麼批評的都沖我來，請別辱罵詆毀我的家人。」