Trần Phi Sơn được đôn lên đội một của Sông Lam Nghệ An từ năm 2011. Tại giải bóng đá U21 Quốc gia năm 2012, Sơn đã chứng tỏ được khả năng điêu luyện của mình và góp công vào chức vô địch của U-21 Sông Lam Nghệ An.[1]

Sau đó, anh được triệu tập vào đội tuyển U-21 Việt Nam tham dự Giải U21 Quốc tế Báo Thanh Niên ở Gia Lai, anh chứng tỏ mình là quân bài không thể thiếu trong đội hình. Mặc dù đội tuyển U-21 Báo Thanh Niên Việt Nam để thua U-21 Malaysia trong trận chung kết nhưng Phi Sơn vẫn được bầu chọn là cầu thủ xuất sắc nhất giải. Thành công đó giúp anh được rất nhiều câu lạc bộ săn đón, trong đó có Sydney FC của Úc.

Giữa mùa giải 2013, sau khi tiền đạo Lê Công Vinh sang Nhật Bản đầu quân cho Consadole Sapporo, Sơn đã được huấn luyện viên Nguyễn Hữu Thắng tin tưởng trao một suất đá chính trong đội hình của Sông Lam Nghệ An.