1997年，校園青春劇《十七歲不哭》中飾演男主角簡寧，從而正式進入演藝圈。2002年，與李小璐、呂麗萍、孫一理合作主演清宮劇《十三格格》，在劇中飾演與十三格格一起長大並一直追求着她的男主角七貝勒。2004年，與任泉、劉威、趙琳合作主演警匪劇《危情24小時》，在劇中飾演精明幹練、經驗豐富的反恐特警方進。2005年，與劉燁、左小青、黃覺合作主演刑偵劇《一針見血》 ，在劇中飾演女主角樊丹的弟弟樊東。2007年，與羅德元、黃軒、鄭羅茜合作主演劇情電影《地下的天空》，在片中飾演礦工宋大明。同年，與王斑、嵇波、李東翰合作主演警匪懸疑劇《絕密押運》，在劇中飾演80後押運兵陶濤 ；同年，與國麗娜、齊奎合作主演數字電影《極限救援》，在片中飾演樂於助人、豪爽直率的出租車司機劉武塑。2008年，與葛優、鄔君梅、段奕宏合作主演桃色喜劇電影《桃花運》，在片中飾演老實善良且帶點傻氣的酒店廚師關祥，與小宋佳飾演一對情侶。同年6月，憑藉電影《極限救援》獲得“第11屆上海電影節傳媒大獎”最具潛力新人獎。2009年，與廖凡、張譯、楊爍合作主演抗戰劇《生死線》，在劇中飾演寧守備團的上尉副官龍文章。
2010年與小宋佳、楊立新、霍思燕合作主演家庭情感劇《風車》（原名《我和我的小姨》），在劇中飾演做人真誠、做事講義氣的男主角樑塵 ，同年，與陳思誠、張譯、楊冪合作主演都市情感劇《北京愛情故事》，在劇中飾演個性格溫和、無慾無求的男主角吳狄，與此同時李晨還擔任了該劇的監製。2011年與馬伊琍、尤勇合作主演年代情感劇《風和日麗》，在劇中飾演剛毅正直、深情專一的軍官劉世軍；之後，他還出演了趙寶剛執導的都市情感劇《北京青年》，在劇中飾演經濟學碩士何東 。2013年，與霍思燕、于越、杜江合作主演當代勵志劇《草帽警察》，在劇中飾演心地善良溫和、爲人穩重踏實的男主角劉五四 ；同年，與靳東、潘虹、高鑫合作主演醫療劇《到愛的距離》，在劇中飾演普外科主任李睿。
2014年與范冰冰、張豐毅、李治廷合作主演古裝宮廷劇《武媚娘傳奇》，在劇中飾演女主角武則天青梅竹馬的情人李牧。2015年3月28日，其主演的都市情感劇《天使的城》在浙江衛視、江蘇衛視播出，在劇中飾演熱情仗義的出租車司機李飛翔。同年8月5日，其主演的抗戰劇《秀才遇到兵》在江蘇衛視、北京衛視播出，在劇中飾演機智過人、滿腹經綸的男主角龍千言 ；同年10月21日，其主演的《三個奶爸》在浙江衛視、深圳衛視播出，在劇中飾演男主角餘崢。
