2007年，参加东方卫视选秀娱乐节目《加油！好男儿》的比赛，获得沈阳唱区冠军、全国总决赛冠军、最佳网络人气奖，从而正式进入演艺圈；7月，签约华谊兄弟，成为旗下签约艺人，并与付辛博正式以“BoBo”组合的形式发展；7月25日，推出个人翻唱单曲《凌晨三点钟》，收录于《好男儿站出来2》合辑中；9月29日，随BoBo出版组合首本写真集《BOBO·双城记忆》 ；10月15日，随BoBo推出组合首张EP专辑《光荣》，收录了包括《唱歌给你听》、《光荣》等在内的3首歌曲；12月17日，随BoBo获得“第二届腾讯星光大典”最具潜力组合奖。
2008年4月，随BoBo出版组合第二本写真集《王子进化论》；4月27日，随BoBo推出组合首张音乐专辑《世界之大》，收录了包括《时刻准备着》、《我们唱的歌》等在内的17首歌曲；10月，随BoBo出版书籍《逆风》，该书籍为组合首张音乐专辑《世界之大》的影音图文升级版；同年，随BoBo获得“首届中国海西时尚娱乐盛典”最具人气组合奖；之后，与杨紫、王晓晨、黄圣依合作主演都市励志喜剧《女孩冲冲冲》，在剧中饰演心地善良、简单纯正的男主角井小乔；此外，他还客串了曹保平执导的悬疑爱情电影《李米的猜想》，并在片中饰演了一名出租车乘客，而这也是他的首部电影作品。
2009年4月，随BoBo获得“MusicRadio中国TOP排行榜”内地最受欢迎组合奖，而歌曲《时刻准备着》则获得内地年度金曲奖；7月，随BoBo出版书籍《交换日记》；同年，出演蒋笑笑执导的百集校园情景剧《青春进行时》，在剧中饰演有些孩子气、爱闹小情绪的男主角井宝；之后，与谢霆锋、张学友、吴彦祖合作主演爱情电影《全城热恋》，在片中饰演阳光帅气的小方。
2010年3月3日，随BoBo推出与张禹凌合唱的歌曲《全城热恋》；5月，凭借电影《全城热恋》获得“第17届北京大学生电影节”最佳新人奖；6月3日，随BoBo推出组合第二张音乐专辑《Let's BOBO》，收录了包括《全城热恋》、《停不了的快乐》等在内的9首歌曲；9月，随BoBo获得“大本钟奖”最具潜力音乐团体新人奖的提名；随后，签约种子音乐，成为旗下签约艺人；同年，BoBo宣布单飞不解散，成员各自发展；12月20日，与郭书瑶推出EP专辑《暖暖手》。
2011年2月22日，其主演的爱情喜剧电影《全球热恋》上映，而他在片中则饰演了怀才不遇的青年作家闻风；6月13日，推出首张个人音乐专辑《井柏然》，收录了包括《正版男友》、《情歌变得不好听》等在内的10首歌曲；12月，其演唱的歌曲《爱情掉在哪里》、《暖暖手》分别获得“音乐先锋榜颁奖典礼”内地十大先锋金曲奖、最受欢迎对唱金曲奖；此外，他还出版了个人写真集《井色》。
2012年2月8日，推出个人单曲《不过情人节》；随后，获得“第11届中国原创音移动图册乐流行榜”最优秀新人奖，而歌曲《井字游戏》则获得内地金曲奖；同年，凭借专辑《井柏然》获得“第二届全球流行音乐金榜”最佳新人银奖；5月11日，其主演的爱情电影《影子爱人》上映，而他在片中则饰演了与美惠子相恋的毕达；8月，随着组合成员付辛博与经纪公司华谊兄弟合约期满，成立五年的“BoBo”组合正式解散；8月14日，其主演的剧情电影《消失的子弹》上映，而他在片中则饰演了阳光开朗、幽默风趣的小伍；12月20日，其主演的古装武侠电影《血滴子》上映，而他在片中则饰演了杀手组织“血滴子”成员侯佳十三。
2013年，与陈好、黄海波、王千源合作主演都市喜剧《新编辑部故事》，在剧中饰演个性温和且敬业能干的杂志网站编辑何澈澈 ；12月24日，推出个人单曲《你飞到城市另一边》；12月31日，其主演的剧情电影《等风来》上映，而他在片中则饰演了帅气多金、幽默开朗的男主角王灿。
2014年，与刘德华、吴君如合作主演剧情电影《失孤》，在片中饰演四岁时被拐的修车小伙曾帅；同年，与郑爽、陈翔、黄柏钧合作主演古装穿越情感剧《相爱穿梭千年》，在剧中饰演温润如玉且谦谦有礼、并从西汉穿越到现代的男主角公明；11月21日，其主演的清装动作电影《黄飞鸿之英雄有梦》上映，而他在片中则饰演了男主角黄飞鸿的挚友赤火。
2015年，参加湖南卫视明星姐弟自助远行真人秀节目《花儿与少年第二季》；同年5月，受邀参加“戛纳电影节”；7月，被联合国人居署授予“青年创新创业奖青年形象大使”的称号；7月16日，其主演的古装奇幻电影《捉妖记》上映，而他在片中则饰演了性格温和、待人友善、并阴错阳差怀上妖怪胡巴的男主角宋天荫；7月31日，出版书籍《小井想要一部时光机》；8月5日，推出与白百何合唱的歌曲《明天你会在哪里》；8月27日，其主演的剧情电影《三城记》上映，而他在片中则饰演了与仇大姐相恋的收买华；9月，凭借电影《失孤》获得“第30届金鸡奖”最佳男配角奖的提名；9月16日，其主演的电影《捉妖记》累计票房达到了24.38亿；与此同时，他还获得了“GQ年度人物盛典”年度实力偶像奖；11月，成为《T Magazine》中国版创刊后的首位封面男星。
2016年，与Angelababy合作主演根据同名小说改编的爱情电影《微微一笑很倾城》，在片中饰演网名“一笑奈何”、外表清俊但却很自恋的男主角肖奈；5月14日，受邀参加“戛纳电影节”；8月5日，其主演的动作冒险电影《盗墓笔记》上映，而他在片中则饰演了外表高冷孤傲、为人神秘莫测且身手不凡的男主角张起灵；同年，参加江苏卫视户外真人秀节目《我们战斗吧》，并与杨烁、白敬亭一同为该节目演唱同名主题曲《我们战斗吧》；随后，推出个人单曲《最初的梦想》，并作为电影《微微一笑很倾城》的推广曲；10月，主演许诚毅执导的古装奇幻电影《捉妖记2》。
2017年1月27日，参加中央电视台春节联欢晚会，并与张艺兴合唱歌曲《健康动起来》；2月14日，推出与田馥甄合唱的歌曲《美女与野兽》；4月，作为固定成员参加湖南卫视青春伙伴自助远行真人秀节目《花儿与少年第三季》；5月18日，再次受邀参加法国戛纳电影节并亮相电影《每分钟120击》的首映红毯；9月9日，受邀出席第15届芭莎明星慈善夜并捐出爱心车队 ；10月底，确定出演刘若英导演处女作《后来的我们》；11月23日，获得网易年度态度大赏年度有态度最具实力男演员奖 ；12月19日，确定出演根据同名漫画改编的民国传奇剧《南烟斋笔录》，并在剧中饰演心思细腻、重情重义的男主角叶申。
2018年3月14日，刘若英导演处女作《后来的我们》发布“学会去爱”我们版系列海报，井柏然形象首次曝光，该片于4月28日全国上映；12月22日，与何炅、周冬雨一起参加爱奇艺出品的年轻演员品训类节目《演员的品格》，并担任演值团学长。
2019年，与吴京、章子怡、张译、胡歌、成龙合作出演珠峰题材电影《攀登者》；4月4日，由娄烨执导的犯罪悬疑电影《风中有朵雨做的云》正式上映，在片中担纲男主角，饰演负责调查唐奕杰坠楼案的年轻警官杨家栋，该片拍摄于2016年，并参与演出了主题曲《一场游戏一场梦》；5月4日，其参加的《我们都是追梦人—— “五月的鲜花”全国大中学生文艺会演》在CCTV-1播出，与杨紫合唱了歌曲《小梦想大梦想》；6月21日，其配音的动画电影《千与千寻》在中国内地上映，在片中担任了男主角白龙的中文配音工作；9月，以嘉宾的身份参加了《明星大侦探第五季》的录制。10月24日，加盟的《明星大侦探第五季》公布定档11月8日。