2001年，与林志颖主演的电视剧《绝世双骄》播出，剧中郑国霖饰演小江。

2003年，与黄海冰、聂远、释小龙出演《隋唐英雄传》，该剧是一部古装历史剧，讲述隋末唐初乱世纷争下，由郑国霖饰演的李世民在众多英雄豪杰辅佐下平定天下的故事。2004年，与赵文卓、何润东、冯绍峰出演《风云2》，郑国霖饰演怀灭。

2008年初，由巴金名著改编的电视连续剧新版《家》卫视播出，剧中郑国霖饰演高觉民。

2009年，出演由吴子牛执导的革命史诗献礼剧《红七军》，演绎李明瑞一角，为自己拓宽了戏路成功转型。

2010年，郑国霖、唐国强主演的《五星红旗迎风飘扬》在央视一套播出，讲述的是由郑国霖饰演的邓稼先等老一辈科学家为祖国发展事业无畏奉献的故事。该剧获28届飞天奖最佳影片。

2010年，于正工作室联合紫骏影视传媒集团出品的电视剧《美人天下》在卫视播出。该剧汇集张庭、郑国霖、李小璐、明道、杨幂、何晟铭明星阵容，郑国霖在剧中饰演唐高宗李治，与杨幂饰演的青鸾上演一段“人狐”虐恋。

2011年，郑国霖受邀加盟由张纪中制片的人文史诗大剧《菊花醉》出演男一号胡少英，该剧主要讲述的就是清朝末年一代中国茶商胡少英的荣辱沉浮。从富贵堕落到贫穷，从复仇到对仇恨释怀，胡少英经历了世间的坎坷，心里的折磨。该剧以安化黑茶为线索，交织一代茶商的爱恨情仇，在广阔的历史文化背景下，刻写人道、商道与茶道。

2012年，参演由李慧珠执导、改编自毕飞宇小说《上海往事》的民国年代剧《像火花像蝴蝶》6月22日在东方卫视、江苏卫视播出，讲述的是由郑国霖饰演的亦正亦邪的人物唐立平与胡军饰演的段绍荣争霸上海滩的故事。该剧荣获第十届电视制片业十佳颁奖礼“十佳优秀电视剧”奖。

2013年，郑国霖领衔主演的革命传奇谍战大剧《孤胆英雄》自12月15日至12月26日在上海东方电影频道首播期间，单集最高收视率高达4.1，平均收视2.5，远远高于频道基准收视点，最高收视份额高达14.47，全年年度排名第三名。并被上海东方电影频道授予2013~2014年度十大优秀电视剧第四名的荣誉，剧中郑国霖一人分饰两角。

2014年，古装传奇大剧《隋唐英雄3》湖南卫视播出，剧中郑国霖出演唐太宗李世民，这是郑国霖自2003年《隋唐英雄传》饰演李世民后再度出演李世民一角

2014年3月，与颖儿、王学兵联袂出演由长城影视出品的剿匪大剧《红色追剿1949》，剧中郑国霖饰演康铭一角，讲述郑国霖饰演的大少爷康铭，一步步成长最终成为革命战士的故事，并于颖儿饰演的许辣妹上演一段虐心恋

2014年6月，与刘晓庆、韩雪合作出演由长城影视出品的励志剧《共和国工人之我有一个梦》，剧中郑国霖饰演叶大林是一个意气风发的有志青年，一步步从青年走到成熟，诠释了那个年代男人的成长史诗。

2014年10月，与黄维德、蒋梦婕合作出演由长城影视出品的都市情感剧《婚姻攻防战之爱要付出》，演员郑国所饰演的职场精英老牛是典型的新好男人代表，生动的诠释了什么叫做真正的为爱付出。

2014年，由于正工作室承制的金庸武侠经典巨作《神雕侠侣》在湖南卫视钻石剧场上星播出，郑国霖在剧中饰演郭靖。

2015年，情感催泪大剧《当人心遇上仁心》在辽宁卫视上星播出，该剧讲述了弃婴孙小虎从小被收养，又被拐卖到农村改名季得生，在艰苦环境下长大的他练就了坚强坚韧的个性，也凭借着自己的努力成为了一名优秀的医生。一宗由护士引起的医疗事故把善良的季得生卷入其中，而这起事故虽然让人经历很多悲欢离合的瞬间，季得生却因祸得福，最终和幼时收养自己的母亲团圆的故事，剧中郑国霖饰演季得生。

2016年，出演的民国悬疑大剧《老九门》，郑国霖在片中饰演二月红的舅姥爷，一个为防止国宝落入东洋人之手而不惜舍身取义的前辈。

2016年7月，出演欢瑞影视出品的IP仙幻剧《青云志》饰演宋大仁，郑国霖凭借“暖心大师兄”和“忠厚好男人”的角色形象给观众留下深刻的印象。

2016年10月，出演长城影视出品的电视剧《家国恩仇记》。郑国霖所饰演反派马皓天强大气场，爱憎分明，人物层次丰富饱满，令人印象深刻。

2016年12月，主演公益院线电影《我是谁的宝贝》，讲述了郑国霖所饰演的赵毅为了自闭症女儿找狗的故事。