2000年，出演首部农村题材作品《庄稼院里的年轻人》，饰常友。2001年，搭档申军谊，韩青拍摄了悬疑刑侦剧《紧急追捕》。
2003年8月，与赵文卓、贾静雯共同出演古装剧《神医侠侣》，饰项云。
2004年4月，与何润东、高圆圆、归亚蕾共同主演了唐太宗李世民青年时期的《秦王李世民》，饰刘文静；7月，拍摄了反映清朝第一词人纳兰容若一生极富戏剧色彩情感经历的《烟花三月》，饰康熙。
2005年5月，在苏有朋、张娜拉主演的古装轻喜剧《刁蛮公主》中饰白云飞；10月，拍摄了根据《唐书》、反映唐太宗贞观之治编剧的历史剧《贞观之治》，饰唐太宗李世民的长子李承乾。
2006年3月，搭档于和伟、许晴拍摄商业题材作品《局中局》，饰杂志摄影记者简华。
2007年6月，拍摄了首部电影《东方大港》，饰陈泓；9月，与范冰冰、孔维共同主演贺岁电影《命运呼叫转移》，饰跃东 ；10月，搭档徐峥、刘仪伟、范冰冰主演贺岁电影《爱情呼叫转移》，饰老张。
2008年5月，与涓子、奚美娟共同主演根据池莉小说《所以》改编的电视剧《爱有多远》，饰关淳；5月7日，在左小青、陶虹主演的女性题材轻喜剧《好孕来临》中饰刘云华；10月，与刘孜、曾黎共同主演抗战题材作品《花篮花儿香》，饰男主角周云彪。
2009年6月，客串了刘仪伟独立执导的第一部电影《火星宝贝之火星没事》，饰医生。
2010年6月，与文章、白百何、张静初共同主演都市情感剧《万有引力》，饰风雷。；8月，在反映七十年代工人工作、生活的浪漫主义色彩的电视剧《师傅》中饰谢思雨；同年，与赵立新、焦俊艳共同主演红色年代谍战戏《永不消逝的电波》，饰反派赵子岐。
2011年6月，主演了根据作家许开祯小说《凉州往事》改编而成的《光荣大地》，饰机灵圆滑栓伍子9月，与张恒共同主演国际密战剧《马迭尔旅馆的枪声》，饰满洲之狐高恒书；12月，与丁志诚、邹涵虹等主演年度谍战戏《神枪手》，饰冷酷杀手宫十一。
2012年2月，与李幼斌、史兰芽、隋俊波共同主演贺岁家庭轻喜剧《老严有女不愁嫁》，饰先锋艺术潮人葛大码；5月，和高云翔、张铁林、吕夏一起主演抗日剧《刀影》，饰上海滩第一杀手杜善起；随后，加盟了由周渝民、王学圻、张钧甯共同主演的长篇抗战剧《彼岸1945》，饰国民党士兵童山。
2013年6月，在曾丽珍执导的都市情感励志剧《恋恋不忘》，饰厉氏集团特别助理林建东。
2014年3月，客串了刘德华领衔主演的内地首部“打拐”题材电影《失孤》，饰城管。
2015年，吕行时隔8年与舅舅葛优共同出演电影《罗曼蒂克消亡史》。在抗战大戏《政委》中饰演铁骨英雄宋云杰。
2017年12月21日晚，凭借在电影《罗曼蒂克消亡史》中的精彩演出夺得第九届澳门国际电影节最佳新人。
2020年2月21日，主演的悬疑古装言情探案剧《两世欢》开播。