2011年6月，王彦霖还在上海戏剧学院读大三时，便被导演陈铭章看中，与言承旭、翁虹等演员合作出演了个人首部影视作品，在爱情偶像剧《我的灿烂人生》中饰演郑棋。

2013年，参演由高以翔、焦俊艳主演的治愈系言情剧《遇见王沥川》，饰演女主角谢小秋的弟弟谢小冬，一个诚实懂事，总是维护支持姐姐的大男孩。

2014年7月，参演由胡歌、江疏影主演的青春励志剧《旋风十一人》，饰演崇越。8月，参演由陆毅、蒋劲夫、陈妍希主演的古装武侠剧《秦时明月》，饰演以轻功见长，有无人能敌速度的墨家统领之一东郭植（盗跖），对女主角端木蓉展开追求。

2015年1月，参演由唐嫣、刘恺威主演的民国偶像爱情剧《千金女贼》，饰演的白氏企业的二当家“石头”是个重情重义、爱憎分明的角色，辅佐男主角经营家族事业，与妄图侵占上海的日本人斗智斗勇。7月参演由韩东君、金晨、张若昀主演的民国玄幻季播网络剧《无心法师》，饰演亦正亦邪、让人难以捉摸的文县司令”顾大人“顾玄武。同年参演由陈铭章执导，陈晓、周冬雨主演的都市爱情剧《遇见爱情的利先生》，饰演裴家齐一角。12月中旬参演由陈铭章执导，王丽坤、朱亚文、叶青等主演的都市职场爱情剧《漂洋过海来看你》。

2016年4月1日由陈国富监制，杨庆编剧及导演，陈坤、白百何、秦昊、喻恩泰联袂主演的电影《火锅英雄》上映，在电影《火锅英雄》中王彦霖首次出演反派角色，王彦霖化身为匪徒老大唐僧带领劫匪四人组成为了亮点，和陈坤饰演的刘波进行最后的抗衡带动剧情的起伏。

2016年4月，主演由著名作家桐华小说改编的同名电视剧《那片星空那片海》。5月主演由吴锦源执导的《楚乔传》，饰演宇文世家的大少爷——宇文怀。7月，主演民国玄幻网络剧《无心法师2》。

2017年1月，由其主演的《继承者计划》正式杀青，该剧讲述的是王彦霖饰演的双面卧底，在异国上演的一场惊心动魄的经历。 5月，主演校园青春题材电影《毕业进行时》。

2018年9月，参加合宿生活观察类真人秀《Hi室友》，并与另外7位嘉宾共同演唱了同名主题曲《Hi室友》。

2019年2月，加盟浙江卫视《奔跑吧》担任MC。2020年1月25日，与彭于晏、辛芷蕾合作主演的电影《紧急救援》定档于大年初一上映。