1988年，參演第一部古裝劇《吉星報喜》首次剃頭演出，飾演一代才子陳夢吉。1989年，參演《義不容情》，飾演反面角色“丁有康”而一舉成名。1990年，他擔任男一的電視劇《我本善良》播出，入圍“全球發行最賣座電視劇”前3名，成爲1997年度聚男小編“網評最受歡迎的香港電視劇”第五位，他飾演的亦正亦邪的“齊浩男”則被視爲港劇中的經典角色；同年，推出第三張粵語專輯《沒有你之後》，獲得雙白金銷量。1991年3月，與邵美琪、周海媚、黎明等主演電視劇《今生無悔》，並獨唱插曲《從未試過擁有》，再次出演反派人物，飾演“高天俊” 。1992年3月，與羅嘉良、溫碧霞主演的電視劇《火玫瑰》播出，溫兆倫飾演心地善良、處世穩重的好大哥"Uncle Rain"；4月， 接拍周星馳系列電影《鹿鼎記》，飾演康熙；7月， 在臺灣發行首張國語專輯《還能愛我多久》，銷量超過20萬張。1993年，他主演的電視劇《義不容情》、《今生無悔》和《我本善良》陸續在臺灣電視臺播出；3月，在臺灣推出第二張國語專輯《永遠是你》；5月，赴中國內地拍攝武俠劇《武尊少林》；9月遠赴新加坡拍攝電影《笑八仙》。1994年3月，主演的連續劇《第三類法庭》播出，飾演善良忠厚的“馬忠寶”；4月，首次在港開辦音樂會。1995年3月，推出第四張國語專輯《說謊》，正式宣佈將事業重心轉移到中國臺灣；7月，赴臺與葉童合演《我本善良II雄霸天下》。同年無線第28週年臺慶評出“十大最受歡迎港劇”，溫兆倫所演出的作品佔有三部，分別是《義不容情》《我本善良》以及《今生無悔》，其中《我本善良》更成爲香港觀衆投票最受歡迎港劇的第一名。1997年，接拍中國內地電視劇《天地情緣》；
1998年參演電視《風雨澳門》；2000年，與黃日華領銜主演《別無選擇》。2002年9月，參演TVB時裝劇《流金歲月》，飾演鍾守康，與羅嘉良演繹一段兄弟情。2004年2月，與郭羨妮合作主演TVB古裝劇《牛郎織女》飾演牛郎，這是他主演的最後一部TVB電視劇 。2006年9月，主演的電視劇《無國界行動》在央視一套黃金時間播出，溫兆倫出演美籍華人緝毒警察。2007年，參演內地劇《血色薔薇》，扮演才華橫溢，風流倜儻的青年律師。2008年，參演中國內地劇《大宋才子黃庭堅》飾演秦觀。2009年，參演中國內地民國傳奇劇《丐俠傳奇》，飾演反面人物外號銅獅子的王祥和；7月，與王識賢和侯天來主演的電視劇《兄弟無間》在四家衛視播出。2010年9月，參演《黃河古鎮》，與李光潔出演對手。2011年12月，與郭濤、英達主演的抗戰題材電視劇《節振國傳奇》登陸央視一套晚間黃金檔，溫兆倫首次挑戰日本軍官 。2012年8月，參演中國內地劇《女刑警李春春》；8月29日，主演的以臺商在大陸創業爲題材的電視連續劇《臺商》登陸央視第八頻道。
有了《我本善良》《義不容情》的成功，溫兆倫“壞人”的形象也在中國內地家喻戶曉；在二十世紀八十年代末九十年代初，“溫兆倫”是個令無數女生心馳神搖的名字。在他之前，港劇裏的壞人要麼不夠俊朗，要麼不夠奸惡，再不然血肉又不夠豐滿，一個“丁有康”就把所有缺憾補了個圓圓滿滿，隨後《我本善良》的“齊浩男“，卻是另一個極端，故有云：齊浩男之後，港劇再無可戀之人。
