2012年1月10日，公开照片以及和金钟仁的舞蹈预告，背景歌曲为《RUN & GUN》。11日，公开单人舞蹈预告，背景歌曲为《BLACK PEARL》。12日，公开吴世勋和鹿晗的预告，背景歌曲为《你的世界》的片段。2月7日，公开舞蹈预告，背景歌曲为《WHAT IS LOVE》。3月1日，公开和张艺兴的舞蹈预告，背景歌曲为《你的世界》。2日，公开九人舞蹈预告，担任副领舞。31日和4月1日，分别出席在韩国和中国北京举行的出道发布会。4月8日，以EXO、EXO-K组合成员身份在SBS人气歌谣舞台正式出道。9日，随组合推出首张迷你专辑《MAMA》。8月17日，和韩国女歌手宝儿合作出演KBS音乐银行《Only One》的舞台表演。
2013年6月3日，随组合发行首张正规专辑《XOXO》。7月22日，和朴灿烈客串出演的情景喜剧《欢迎来到皇家别墅》第二集《城市猎人》播出，在剧中饰演大学人气男生。8月5日，随组合发行正规一辑的后续专辑《咆哮》，专辑额外收录了《咆哮》等三首歌曲。12月9日，随组合发行首张冬季特别专辑《十二月的奇迹》。
2014年1月4日，担任MBC电视台《音乐中心》节目特别MC。5月7日，随组合发行第二张迷你专辑《Overdose》。17日，吴世勋参与录制的《Running Man》播出，在节目中表演了《咆哮》舞蹈 。12月19日，随组合推出冬季特别单曲《December，2014》。
2015年3月22日，公开正规二辑《EXODUS》回归预告。30日，随组合发行第二张正规专辑《EXODUS》。4月9日，主演的网络迷你剧《我邻居是EXO》播出，在剧中饰演搞怪而可爱的忙内。6月3日，随组合发行正规二辑后续改版专辑《LOVE ME RIGHT》，附加《LOVE ME RIGHT》等四首歌曲。25日，参加电台节目《正午的希望曲》，分享当忙内的好处。26日，作为特别嘉宾参加江苏卫视真人秀节目《前往世界的尽头》，担任舞蹈教练 。11月4日，随组合推出日文迷你专辑《Love Me Right ~romantic universe~》，正式在日本出道。20日，作为嘉宾参加的综艺节目《唱游天下》播出，在节目中和中国歌手交流舞技。21日，作为嘉宾参加美食综艺节目《你看起来很好吃》，在节目中展示厨艺并品尝辣条，该节目于2016年1月23日播出。12月10日，随组合发行第二张冬季特别专辑《Sing For You》。
2016年3月14日，吴世勋确认出演由朴熙坤执导的爱情电影《我爱喵星人》，并于21日正式入组拍摄，该片是吴世勋出演的首部电影，他在片中饰演动物专家梁渠。5月10日，出席电影《季春奶奶》在首尔举行的VIP试映会。6月9日，随组合发行正规三辑《EX’ACT》，专辑采用《Lucky One》、《Monster》双主打形式，吴世勋在主打歌《Monster》和朴灿烈合作Rap。8月18日，随组合发行正规三辑改版后续专辑《LOTTO》。9月16日，吴世勋搭档许龄月主演的网络剧《亲爱的阿基米德》在韩国首尔开机，吴世勋在剧中饰演逻辑专家言溯。12月19日，随组合发行第三张冬季特别专辑《For Life》。26日，随组合出席SBS歌谣大战，和金钟仁一起表演《One and Only》的水中双人舞。
2017年2月22日，随组合出席在首尔举行的第六届Gaon Chart K-POP Award颁奖典礼，并获得粉丝投票人气（个人）奖。3月5日，受邀参加巴黎时装周。28日，和金俊勉作为嘉宾出演电台节目《NCT的Night Night》。6月10日，作为嘉宾出席K-POP舞蹈大赛决赛。7月13日，公开正规四辑《The War》的预告照及在主打曲《Ko Ko Bop》中的预告视频。18日，随组合发行正规四辑《The War》。9月5日，随组合发行正规四辑后续专辑《THE POWER OF MUSIC》。10月，首次担当固定MC，参与推理综艺节目《犯人就是你》的拍摄，该节目于次年5月18日首播。同月27日，参加在香港举行的Valentino pop up store开幕仪式。
2018年1月23日，同组合成员边伯贤参与游戏直播。2月12日，SM公司确认吴世勋主演改编自漫画的热血动作网剧《独孤Rewind》，扮演背负复仇任务的男主角姜赫。3月16日，随组合出席韩国首支迪拜音乐喷泉及首次喷泉秀记者会。5月29日，作为嘉宾前往法国观看时装秀，并荣获最佳着装。6月12日，公开主演网剧《女神缔造者》的预告，在剧中饰演痴情总理事。8月13日，随组合拍摄韩国旅游宣传片，负责济州岛篇的拍摄。9月，主演的网剧《独孤rewind》线上播出，吴世勋在片中一人分饰两角。同月5日、10日，随队友边伯贤再次参与线上游戏直播。7日，出席在首尔举办的《独孤rewind》发布会。14日，公开和队友朴灿烈合作的轻快歌曲《We Young》MV及中韩双语音源，这是吴世勋首次以个人名义发行音乐作品，该曲在7月EXO首尔演唱会上首演，系“Station X 0”系列第三份作品。