2003年，与张栗坤、陈星合作主演青春校园剧《阳光雨季》，在剧中饰演宏远中学高二A班的班长岳超飞，这是他的首部电视剧作品，从而正式进入演艺圈。

    2004年，出演郭林执导的电视剧《走过冬季》。2005年，主演张友龄执导的亲情剧《非亲兄弟》，在剧中饰演文弱内向且善良仁义的陈天雨；同年，与黄文豪、王伯昭、沈傲君合作主演清装剧《豪门金枝》（原名（《盐亨》），在剧中饰演李家独生子李重林。

    2006年，与佟瑞欣、杜耕萱、苗乙乙共同出演乡村剧《乡里乡亲》（又名《光辉年代》），在剧中饰演韩天寿儿子韩金龙，与黑子饰演一对父子；同年，与李幼斌，萨日娜，小宋佳联袂主演年代传奇剧《闯关东》，在剧中饰演生性不拘、豪放莽撞且有情有义的朱家次子朱传武，该剧于2008年1月2日首播，他也因此被更多观众所认识，并被众多媒体誉为“继胡军、侯勇之后的又一荧屏硬汉”。

    2007年，出演刘家成执导的军事剧《高地》，在剧中饰演从军校毕业后主动要求到709团工作的王奇，该剧于2009年1月1日首播；同年，与邢佳栋、吴炫联袂主演刑侦剧《雪琉璃》，在剧中饰演博陵市文物派出所副所长李柯；之后，主演沈好放执导的涉案剧《市委书记日记》，在剧中饰演东州市委书记韩望杰的儿子韩夏，与程煜饰演一对父子。

    2008年，与胡静、李泰、许还幻、何琢言联袂主演古装传奇剧《兵圣》，在剧中担纲男主角，饰演“一代兵圣”孙武；同年，与罗海琼、齐奎、许还幻联袂主演战争剧《烽火影人》，在剧中担纲男主角，饰演才华横溢的电影导演欧阳浦生。

    2009年，与齐奎、梁林琳、王雨联合主演军旅剧《情系北大荒》，在剧中担纲男主角，饰演勇猛豪爽、不怕牺牲的北大荒军垦区某尖刀营营长郝豹；同年，与喻恩泰、甘婷婷、王挺合作主演革命剧《高粱红了》，在剧中饰演外表柔弱、内心坚强的男主角林玉生，该剧于2010年10月5日首播。

    2010年，主演反贪题材电影《你是我的兄弟》，在片中饰演身为检察官的男主角郑十一；同年，与姚笛、郭伊娜领衔主演抗战传奇剧《远去的飞鹰》，在剧中他所饰演的男主角高志航英姿飒爽、做事雷厉风行，是中国首位空战英雄、被誉为“东北飞鹰”，该剧是国内投拍的首部以空军战争为题材的电视剧，他则凭借该剧入围第40届国际艾美奖最佳男主角奖；12月6日，与李幼斌、史兰芽合作主演的电视剧《爱在苍茫大地》上星播出，在剧中饰演虽然说话吊儿郎当、做事冲动但却极具正义感、诚实勇敢的闻明远，他则凭借该剧入围冬季电视剧互联网盛典最具号召力男演员奖。

    2011年6月17日，获得第14届上海国际电影节亚洲新晋演员奖；同年，与苗圃、吕一、杜志国合作主演谍战剧《地火》，在剧中担纲男主角，饰演负责与马增君接头的地下党员黎仲明，该剧于2014年7月4日上星播出。

    2012年1月1日，其主演的革命剧《我的娜塔莎》开播，在剧中担纲男主角，饰演既真实质朴又正义凛然的抗联战士庞天德；6月26日，与钟秋、李梁、张念骅联袂主演的革命剧《我们的法兰西岁月》首播，在剧中饰演青年时期的周恩来；10月19日，与郝蕾、秦昊领衔主演的都市悬疑爱情电影《浮城谜事》上映，在片中饰演有点“一根筋”的警察秦枫。

    2013年8月8日，与倪大红、边潇潇、李光复合作主演的励志剧《正阳门下》上星播出，在剧中饰演从“破烂王”成长为实业家的男主角韩春明；8月26日，与齐奎、刘向京、蒋恺联袂主演的革命剧《铁血兄弟》播出，在剧中饰演生性叛逆、追求革命的男主角江流。

    2014年3月，入围第1届中国电视演员形象榜青年演员形象金榜；10月1日，与汤唯、冯绍峰、王志文、黄轩合作主演的剧情电影《黄金时代》上映，在片中饰演温良、儒雅又有些懦弱、书生气的端木蕻良；10月27日，与周迅、黄轩、秦海璐联袂主演的近代传奇剧《红高粱》首播，在剧中饰演孔武有力、阳刚硬朗且霸气十足的男主角余占鳌，他则凭借该剧入围第21届上海电视节-白玉兰奖最佳男主角奖，获得第3届亚洲彩虹奖现代剧最佳男主角奖。

    2015年1月11日，与李佳航、万茜、杨紫、孙绍龙联合主演的军旅剧《天生要完美》开播，在剧中他所饰演的男主角云天耀不仅是英姿飒爽海军少校、101分队的队长，而且还是兼具教官风范以及军人风采的教官；1月16日，出席2015米兰秋冬男装周，并出席了Dsquared2二十周年大秀，他是该品牌20周年唯一邀请的华人明星；2月18日，参加中央电视台春节联欢晚会，与张丰毅、段奕宏合唱歌曲《中华好儿孙》；同年，作为固定嘉宾参加江苏卫视推理竞技类真人秀节目《真心英雄》，这是他首度参加真人秀，并参与演唱了节目主题曲《真心英雄》；8月20日，与Angelababy、倪妮领衔主演的浪漫爱情喜剧电影《新娘大作战》上映，在片中饰演体贴乖巧、逗趣买萌的“忠犬男友”罗丹，该片成为2015年七夕情人节的票房冠军，上映首周便取得了1.5亿元人民币的票房成绩；10月30日，与杨幂、鹿晗、王景春联袂主演的青春悬疑电影《我是证人》上映，在片中饰演阴毒毒辣的“变态杀手”唐峥，该片票房突破了2亿元人民币；11月7日，与马伊琍领衔主演的都市情感剧《北上广不相信眼泪》首播，在剧中饰演风趣幽默、机智勤奋又有点嚣张的男主角赵小亮，他则凭借该剧获得第19届华鼎奖中国当代题材电视剧最佳男演员奖。

    2016年1月11日，与李小冉、冯雷、曾黎领衔主演的都市情感剧《姐妹兄弟》首播，在剧中饰演从锻造车间的青工成为房地产公司老板、宁州首富的男主角宋建国；7月15日，与包贝尔、宋佳、焦俊艳联合主演的爱情喜剧电影《陆垚知马俐》上映，在片中饰演具有“娘man”属性的编剧、情场高手赵奔，该片上映3天票房便突破了1亿元人民币，并与包贝尔合唱了宣传推广曲《世界上最难唱的歌》，而该歌曲则取得了百度新歌榜冠军、亚洲新歌榜季军的成绩，朱亚文亦凭借该片获得了第31届中国电影金鸡奖最佳男配角奖的提名；10月17日，其出演的古装喜剧《欢喜密探》开播，在剧中饰演被门砸晕还差点吃饼噎死的便衣密探；12月11日，与陈妍希领衔主演的都市情感剧《北上广依然相信爱情》开播，在剧中饰演机智幽默、对事业一丝不苟却在原则问题上不近人情甚至刻薄的男主角王茂。

    2017年4月2日，与王丽坤、黄柏钧、王彦霖合作主演的都市职场情感剧《漂洋过海来看你》开播，在剧中他所饰演的男主角郑楚是MG旅游集团的时尚旅游体验师，不仅阳光帅气、风趣幽默，而且还有一些洁癖、强迫症，并与王丽坤共同演唱了该剧的主题曲《漂洋过海来看你》；7月27日，与刘烨、黄志忠、王景春、欧豪、刘昊然联袂主演的革命历史电影《建军大业》上映，在片中饰演打响南昌起义第一枪的周总理，该片票房突破了3.8亿元人民币，他则凭借该片入围第34届大众电影百花奖最佳男主角奖。

    2018年，参加湖南卫视原创声音魅力竞演真人秀节目《声临其境第一季》，最终获得年度总冠军；5月27日，参加“相会中华腾飞时·传世经典颂恩来”诗歌咏诵汇；7月27日，与郑元畅、李佳航、菅纫姿领衔主演的都市励志情感剧《合伙人》，在剧中饰演长相清秀却性格孤僻、不易近人的男主角古东青，并参与演唱了主题曲《单行线》；同年，与杨子姗、贺军翔、李媛合作主演都市情感剧《赖猫的狮子倒影》，在剧中饰演男主角刘青；8月26日，作为“心动侦探”参加的腾讯视频都市男女恋爱社交推理真人秀节目《心动的信号第一季》开播；10月27日，与宋佳领衔主演的爱情电影《诗人》在东京电影节首映，在片中担纲男主角，饰演陈蕙的丈夫、怀揣“诗人梦”的煤矿工人李五。

    2019年，作为固定嘉宾参加浙江卫视户外竞技真人秀节目《奔跑吧第三季》；同年，与万茜领衔主演了都市商战剧《商业调查师》，在剧中饰演冷静果断、外刚内柔的男主角夏冬；8月20日，位列福布斯中国100名人榜第80位；9月7日，与张榕容、王亮、晓凡合作主演的爱情喜剧电影《逗爱熊仁镇》上映，在片中他所饰演的男主角何必不仅是高情商暖男“撩妹高手”，亦是痞帅逗趣的小职员；与此同时，他还获得了第17届电影表演艺术学会奖学会奖；9月30日，与张涵予、欧豪、杜江共同出演的剧情电影《中国机长》上映，在片中饰演民航西南地区管理局四川监管局领导；12月17日，与汤唯、邓家佳、乔振宇领衔主演的古装剧《大明风华》开播，在剧中饰演天性洒脱爱玩、文武双全的明宣宗朱瞻基。

    2020年，特别出演李现、春夏、魏大勋、周游主演的年代剧《人生若如初见》；6月2日，与金晨、耿乐、刘奕君联袂主演的悬疑剧《十日游戏》播出，在剧中饰演身为游戏工作室老板的男主角于海；7月31日，为动画片《灵笼》配音的人物混剪预告片正式上线，作为配音体验官的他用声音塑造了动画里9位不同的人物；同年，主演抗疫剧《在一起》，在“救护者”单元中饰演一位武汉呼吸科主任；9月15日，入围第七届中国电视好演员奖蓝组男演员名单。