2001年，于波出演吴奇隆主演的电视剧《萧十一郎》 ，饰演男二号，不择手段又极度渴望温情的“恶之花”连 城璧，这是他的首部影视作品；同年，领衔主演民初年代戏《女人汤》。2002年，参演青春偶像剧《水晶之恋》，饰演出身于音乐世家、即将赴欧洲师从国际钢琴大师的“于波”。

2003年，参演吴奇隆主演的科幻传奇剧《少年王》，饰演正义刚烈的白奇伟。2004年与蔡少芬、陈法蓉，徐少强和郑佩佩合作，主演奇幻武侠片《水月洞天》和《灵镜传奇》。2004年7月参演电视剧《幻影神针》饰演金城；

2005年8月，参演秦沛主演的电视剧《李卫辞官》，出演少年乾隆；参演电视剧《把酒问青天》出演温润的“方旭”。11月参演电视剧《神鬼八阵图》饰演活泼的“日照”

2007年，于波主演都市言情剧《让爱化作珍珠雨》，饰演反一号元皓勇；参演青春励志剧《当幸福来敲门》，饰演才华横溢的设计师。2008年6月参演动物类警匪题材电视剧《迅雷急先锋》，饰演缉毒大队长“韩诚”。

2009年，与陈浩民、释小龙主演悬疑公案喜剧电视剧《包三姑外传》，饰演朱棣；参演电影《我的左手和右手》，这是他的首部电影作品。

2010年7月，参演电视剧《大内低手》饰演嘉庆皇帝。2011年7月，参演由八一电影制片厂投资的电影《飞天》，饰演神舟十号飞船指令长“谢朝阳”；6月参演建党献礼片《先驱者》饰演男主角“刘涛”；10月参演军事题材电视剧《海魂》，首次饰演军人，出演从国民党海校学生成长为共产党海军将领的“高盛中”。

2012年，于波与胡杏儿主演古装轻喜剧《辣妈俏爸》，饰演一位武功盖世厨艺了得的古代超级奶爸。同年参演以华夏始祖黄帝为题材的电影《轩辕大帝》，饰演男一号“黄帝”；

2013年2月，参演喜剧片《百星酒店》饰演“雷劲”，上映两周票房突破5000万；4月4日，于波与郑伊健、周渝民、林峯、吴尊和李晨等联袂主演于仁泰执导的古装战争电影《忠烈杨家将》清明节上映，于波饰演二郎杨延定，该片获第15届意大利乌甸尼斯远东电影节选为闭幕电影；6月参演电视剧《秀丽江山之长歌行》，饰演一代枭雄“刘玄”，这是于波第五次出演皇帝角色；11月参演林峯主演的惊悚电影《诡婴吉咪》万圣节上映，票房排在内地电影市场惊悚类影片历史票房榜的第四位。

2014年1月，于波参演的香港天马公司出品的喜剧电影《六福喜事》全国公映，截止2月10日取得8026万的票房成绩。同年参演张族权导演的民国戏《午夜蝴蝶》，饰演刘恒升；参演《解忧公主》，饰演汉武帝。并且，于波不断尝试突破自己，于2014年参演《赤水河》，饰演王用介。在《赤水河》拍摄同期，还加盟《秦时明月》，出演汉高祖刘邦。2014年11月，于波参演电影版《步步惊心》，在其中饰演太子爱新觉罗·胤礽，该电影于2015年8月7日上映。

2015年6月，于波因出演《忠烈杨家将》，获上海国际电影节成龙动作电影周“钢铁人奖”最佳动作男演员提名。

2015年，参演电影《我们遇见松花湖》，在盛夏穿着冬天的皮大衣进行拍摄。同年11月，参与民国战争偶像电视剧《美人如玉剑如虹》的拍摄，在其中饰演温正；参演参演根据麦家同名小说改编的谍战剧《解密》。

2016年4月1日，主演的史诗题材电影《轩辕大帝》上映；参演的电视剧《解密》于6月20日在湖南卫视上映；主演的电视剧《秀丽江山之长歌行》亦于7月21日在江苏卫视上映。于波饰演的角色好评不断，收获大批粉丝，往年老剧也被炒火。同年，于波参演匪我思存名小说改编电视剧《人生若如初相见》；参演古装武侠言情剧《孤芳不自赏》饰演司马弘。《孤芳不自赏》于2017年1月2日湖南卫视金鹰独播剧场播出；6月14日，爱奇艺网剧《寻人大师》播出，于波在第二、三季出演，饰演樱霓的父亲望久，10月25日，《将军在上》于优酷平台播出，于波饰演范仲淹。这一年，于波也继续创作作品，参演了如《新龙门客栈》、《寻秦记》、《芸汐传》、《战地迷情》等多部电视剧。