还未踏入演艺圈的潘粤明曾在多个剧组跑过龙套，出演过几十部儿童剧，被94版《三国演义》剧组邀请，饰演吴景帝孙休。
1999年，因“非专业出身”，被路学长导演相中主演电影《非常夏日》，又与霍建起导演合作电影《蓝色爱情》后，正式开始了自己的演员生涯。
2001年，主演的电视电影《情不自禁》在电影频道多次播出并获得好评，并因此片获得北京大学生电影节最佳男演员奖，在2007年仍因这个代号为“小白”的角色荣获电影频道百合奖“我最喜爱的十佳演员”称号。
2003年，饰演《心跳》中单纯善良的男孩周俊，在剧中组建了“摇滚乐团”，并体验了独自驾驶飞机的高空飞行。
2004年，应“五年之邀”，与路学长导演再度合作，主演电影《租期》，该片也被评为第十三届北京大学生电影节最佳数字电影及第三届东京SKIPCITY国际数字电影节最佳影片。
2006年前后，《京华烟云》、《红衣坊》、《白蛇传》接连在央视播出，作为三部大戏男一号的潘粤明逐渐为大众与媒体熟知。其中“曾荪亚”一角如其所愿成为观众茶余饭后的“骂点”；卷入商战的“张天云”因复杂的人生经历而备受关注；挑战老版的“许仙”也因文雅痴情的塑造被称为影视剧中经典的书生形象。2006年1月16日，电影频道“影人1 1”栏目播出了他主演的两部电影《爱情钥匙》和《极度险情》。在同年的中国文联第八次全国代表大会上，被任命为新一届文联委员（中国电影家协会）。
2007年6月，得到陈凯歌导演钦点，出演电影《梅兰芳》中梅兰芳的表哥——男旦“王蕙芳”一角（片中改名为朱慧芳），在梅派传人胡文阁老师的指导下学习京剧表演，用六个月的时间演了七场戏，终获剧组的肯定。
2008年4月，在古代爱情悲剧《孔雀东南飞》中饰演儒雅书生焦仲卿，演绎出一个在古代封建家庭里成长的青年男子在爱情面前表现出的渴望、挣扎以及无奈。同年9月，北京金泽太和国际文化交流有限公司被华谊兄弟并购，曾经与其签约的潘粤明自此成了“个体户”，一直没有再签经纪公司。
2009年5月13日，潘粤明在福建屏南拍摄电影《为你而来》时发生车祸，造成肺部受挤压破裂，一度被下病危通知，经过几个月的休养，伤势痊愈并重新开始工作。9月，为电影《阿童木》中搞笑形象的家居机器人奥伦配音。10月末，首次挑战喜剧电影，在《花田囍事2010》中饰演一位暴力书生，与几位老资历的香港电影人同台飙戏 。
2010年4月，在车祸后接拍了首部电视剧《盘龙卧虎高山顶》，在剧中与刘涛再度合作。同年携手董洁出演《新萍踪侠影》，并共同参演《建党伟业》。
2011年，尝试从“小生”向“硬汉”转型，在《帝国秘符》的拍摄中一改往日的文雅形象。
2013年，潘粤明一连接拍了三位导演的电影处女作：《大嘴巴子》、《脱轨时代》和《怒放之青春再见》，于同年成立了自己的工作室。
2015年，出演话剧《只因单身在一起》，这是潘粤明是首次出演话剧。12月18日，作为嘉宾出席了第十五届电影频道出品电影百合奖颁奖典礼。
2017年8月30日，悬疑罪案网剧《白夜追凶》在优酷播出，潘粤明在剧中一人分饰一对性格完全相反的双胞胎。11月20日，凭借《白夜追凶》获得首届中国银川互联网电影节最佳互联网网络剧男主角奖。11月22号，获得时尚先生年度电视剧演员奖并被聘为慈善大使。12月8号，获芭莎男士巅峰人物年度盛典年度吸引力明星。 [40] 12月12号，2017风尚权力榜颁奖盛典年度亚洲实力男演员奖 。 12月19号，获得新浪时尚2017风格大赏年度表现力艺人奖。12月20号，获得新浪看点创作者盛典年度风格人物奖。12月21号，获得搜狐时尚盛典年度电视剧网络剧男明星奖。12月21号，获得第八届牛耳奖互联网年度风云人物奖。
2018年1月，获“微博之夜”的“年度最美表演”和“年度实力演员”。获得安徽卫视国剧盛典年度角色剧星奖。3月26日，第九届中国电影金扫帚奖中获得“年度突破表演奖”。5月，与高伟光、辛芷蕾等合作主演了电视剧《鬼吹灯之怒晴湘西》，在剧中饰演陈玉楼。6月，与马丽、孙坚、李乃文等合作主演电视剧《逆流而上的你》，在剧中饰演杨光。
2019年3月2日，张一山、潘粤明联袂出演谍战剧《局中人》杀青。
2019年12月5日，潘粤明亮相《美食告白记》第三季