2005年，参演由宋业明执导的历史剧《八路军》，饰演八路军战士“张黑白”。2006年9月，参演历史剧《船政风云》，饰演“张成”。
2012年3月，主演红色革命历史题材电视剧《大营救》，饰演性格暴虐无常，杀人如麻的反派角色“韩起功”。10月，参演军事题材电视剧《孤军英雄》，饰演“刘达”。12月，参演冯小刚执导的电影《一九四二》，片中饰演一名火车站站长。
2013年11月，为科幻动作电影《雷神2：黑暗世界》中的“雷神”饰演者克里斯·海姆斯沃斯配音。
2014年3月，主演现代都市剧《温暖的日子》，饰演国民党特务“胡天癸”。10月，主演由郑晓龙执导的近代传奇电视剧《红高粱》，饰演匪首“花脖子”。12月，参演历史人物传记电视剧《彭德怀元帅》，饰演抗美援朝时期被称为万岁军的38军军长“梁兴初”。
2015年3月，参演都市生活情感剧《家有一老》剧中他变身“破烂王”废品回收站老板，饰演“连大国”一角。
2015年，参演战争剧《少帅》，饰演奉系军阀官员“常荫槐”。同年，主演谍战剧《追击者》，饰演军统保定站行动科科长“陈克海”。
2016年3月，出演大型反腐题材电视剧《人民的名义》，剧中饰演“程度”一角。5月，出演革命历史题材电影《第十军团》，饰演“反一号”国民党高级将领王耀武。
2017年10月院线电影《胡杨的夏天》，徐光宇担任电影总制片人，并饰演徐金宝。
2020年9月19日，主演的电视剧《红旗渠》开机。