1997年参演个人首部话剧《四季爱情》，参演个人首部电视剧《潘汉年》。
1999年参演个人首部电影《鲁镇传说》，饰恶气痞气的富家恶少丁家昌。
2001年主演电视电影《十面埋伏》，分饰两角——明朝著名琵琶演奏家汤应曾和阿桂；主演电视剧《高原骑兵连》，饰骑兵军官徐立平。
2003年参演电视剧《沉默的证人》，饰精神分裂病人石隐。2005年参演电视剧《温暖》和《沙家浜》。
2006年主演话剧《我爱爱情》，饰男主角小P；与刘涓共同执导数字电影《和顺的夏天》和《掌声响亮》。
2007年参演话剧《北京大爷》，饰欧日华；该剧演员全部为北京电影学院06级MFA表演专业在读研究生。
2008年参演并执导电影《轮椅上的奇迹》，饰身患绝症的击剑教练许烽。参演电视剧《潜伏》，饰锋芒毕露的军统特务李涯；成功塑造了一个执着坚定的反派人物，并荣获2010年华鼎奖最佳男配角奖。同年8月参演电视剧《密战》，饰国际商业间谍兼冷酷杀手蝴蝶] 。
2009年主演《宝贵的秘密》，饰山村青年照相师蓝宝贵。同年7月参演电视剧《隐形将军》，饰玩世不恭的富家公子哥儿韩奎，逐渐成长为优秀的共产党地下工作者。同年9月参演郑晓龙执导电视剧《金婚风雨情》，饰迂腐痴情的南方知识分子季诚。
2010年参演话剧《四世同堂》。同年2月参演电视剧《旗袍》，饰从投身革命的富家公子到投敌叛变的阴险叛徒赵世杰再次获2011年华鼎奖最佳男配角奖。同年8月参演电影《建党伟业》，饰学生领袖邓中夏。同年10月主演孔笙执导的电影《天上的伙伴》，饰自闭症女孩陆小荷的父亲。
2011年2月参演孔笙执导电影《北川重生》。同年5月主演话剧《爱情的印象》祖锋一人分饰8个不同角色。同年6月主演电视剧《时尚女编辑》，饰摄影师艾崇文。12月参演娄烨执导《浮城谜事》，饰警察童明松。
2012年5月主演电视剧《独狼》，饰枪王之王林杰森。同年12月参演电视剧《婚战》，饰编辑孟三力。
2013年1月参演许鞍华执导电影《黄金时代》，饰演东北作家罗烽。同年4月，第三度与孔笙导演合作，参演电视剧《北平无战事》饰崔中石，演绎了一位外表温润优雅、不畏生死的中共地下党，获得2014年国剧盛典年度最佳男配角。同年8月参演电视剧《谋圣鬼谷子》，饰姬元伯。 同年9月参演张艺谋执导电影《归来》，饰反派邓指导。
2014年8月参演电视剧《刑警队长》，饰刑警胡德强。同年9月至2015年2月，客串郑晓龙执导电视剧《芈月传》，饰屈原。同年11月至2015年2月参演电视剧《毕业歌》，饰中统特务头子季家鸣。
2015年5月参演电视剧《双刺》，出演暖男特工彭刚。2017年5月参演电视剧《欢乐颂2》，饰演奇点一角。
2018年7月播出电视剧《面具》，饰演军统潜伏特务李春秋。
2019年4月18日，其执导的电影处女作《六欲天》入围了第72届戛纳电影节“一种关注”单元；8月23日，与周迅、吴镇宇领衔主演电影《保持沉默》上映，片中饰演制作人田景程；9月26日，其执导并主演的电影《六欲天》宣布定档11月1日内地上映，定档预告及海报同时发布。