2007年，与邓超、车晓联袂主演都市情感剧《钻石王老五的艰难爱情》，在剧中饰演女主角林雨馨的初恋男友郝良，这是他的首部电视剧作品，从而正式进入演艺圈。2008年，在话剧《故去的亲人》中饰演亨利·斯雷特。
2009年，与张默、严晓频、杨烁共同出演都市伦理剧《孽债2》，在剧中饰演吴观潮和杨绍荃的儿子安永辉 ；8月21日，与郭富城、郝蕾、张铁林合作主演的剧情电影《白银帝国》上映，在片中饰演聪慧能干的康四爷，这是他的首部电影作品。
2010年，参演王茜华、张少华主演的家庭情感剧《全家福》，在剧中饰演张红秀的儿子刘俊峰，与王茜华饰演一对母子。
2011年3月12日，其主演的谍战电影《谍影柔情》上映，在片中饰演日本少佐江口义明，这是他首次在影视作品中担纲男主角；10月22日，由赵宝刚执导的都市情感剧《男人帮》首播，杜江在剧中饰演莫小闵的同事王楠；此外，他还与董维嘉搭档主演了青春励志情感电影《上海日记》，在片中饰演男主角全小良。
2012年6月，与王志文、张国立共同出演的都市商战剧《青瓷》首播，在剧中饰演张仲平的外甥、周辛然的男友徐艺 [3-4] ；8月16日，与李晨、马苏、杜淳共同出演的都市情感励志剧《北京青年》播出，在剧中饰演农庄老板高军；同年，参演宋丹丹主演的家庭伦理剧《老米家的婚事》，在剧中饰演李南北的员工甄雨。
2013年9月28日，与霍思燕、张晓龙、陈紫函共同出演的都市情感励志剧《爱情面前谁怕谁》首播。2014年11月18日，与任重、张俪、张铎、王阳联袂主演的医疗情感剧《青年医生》首播，在剧中饰演急诊科实习医生赵冲，并参与演唱了该剧的主题曲《爱之声》。
2015年2月12日，与李晨、霍思燕、于越领衔主演的都市励志剧《草帽警察》在CCTV-8上星播出，在剧中饰演看似放荡不羁、实际上却很痴情的富二代沈永年，该剧是他与妻子霍思燕的定情之作；同年，与儿子杜宇麒作为固定嘉宾参加浙江卫视明星亲子互动真人秀节目《爸爸回来了第二季》的录制。
2016年2月14日，其主演的都市喜剧电影《高跟鞋先生》上映，在片中饰演宅男游戏设计师杭远，并凭借在该片中的反串表演获得了乐视生态共享之夜“最佳女演员”奖；6月，与霍思燕、王志飞、何赛飞联袂主演的都市情感剧《再见，老婆大人》上星播出，在剧中担纲男主角，饰演乐摩装饰的设计总监赵天材；同年，与霍思燕、吴秀波领衔主演都市情感剧《北京遇上西雅图》，在剧中担纲男主角，饰演月子中心老板娘宗姐的儿子林诺言，与金燕玲饰演一对母子；10月20日，获得网易时尚跨界盛典年度最具魅力男明星奖；12月16日，与葛优、章子怡、浅野忠信共同出演的悬疑谍战电影《罗曼蒂克消亡史》首映，在片中饰演陆先生的手下童子鸡。
2017年8月31日，与霍思燕获得首届微博时尚盛典年度最具时尚影响力CP奖；同年，与儿子杜宇麒作为固定嘉宾参加芒果TV亲子户外真人秀节目《爸爸去哪儿第五季》的录制，并参与演唱了该节目的主题曲《爸爸去哪儿》 ；12月8日，获得“商业星力量巅峰人物年度盛典”年度吸引力明星奖；12月28日，获得腾讯娱乐白皮书综艺年度之星奖。
2018年2月16日，与张译、黄景瑜联合主演的动作电影《红海行动》上映，在片中饰演蛟龙队副队长兼爆破手徐宏，并参与演唱了同名主题曲《红海行动》，该片最终取得了36亿元的票房成绩，而他则凭借该片获得了第34届大众电影百花奖最佳男配角奖、第1届海南岛国际电影节年度男配角奖；同年，为动画电影《暹罗决：九神战甲》中的主人公奥特配音；9月，参加中央电视台中秋晚会；11月9日，与周迅、秦昊联袂主演的爱情电影《你好，之华》上映，在片中饰演袁之华的丈夫周文涛。
2019年3月22日，与王景春、咏梅主演的剧情电影《地久天长》在中国内地上映，在片中饰演沈英明与李海燕夫妇的儿子沈浩；3月，其主演的电影《中国机长》杀青；5月1日，其参加的《“中国梦·劳动美”——2019五一“心连心”特别节目》在CCTV-1播出，与霍思燕合唱歌曲《小梦想 大梦想》 ；8月1日，与黄晓明、谭卓等合作主演的电影《烈火英雄》上映；8月7日，参加CCTV-3七夕特别节目《天下有情人》，与霍思燕、秦凯、何姿共同演绎了情歌串烧。