2003年，在校期间出演黄芳翎、王景春、佟悦主演的情景喜剧《都市男女》。
2006年，郭京飞在德国导演沃尔特·阿斯姆斯执导，萨缪尔·贝克特创作的话剧《终局》中饰演第一男主角哈姆。同年凭借在话剧《牛虻》中饰演白衫长褂、须髯满面、沧桑历尽却优雅不减的亚瑟，获得了第10届佐临话剧艺术奖最佳新人。
2007年，开始和导演何念合作，出演了话剧《和空姐同居的日子》中的帅气白领陆飞、《武林外传》中玩世不恭的莫小宝 、《鹿鼎记》风流却不下流的韦小宝。
2008年，参与鲍莉执导，付辛博、王柏伦、解昕怡主演的悬疑、科幻、搞笑电影《微客帝国》 。 搭档夏雨、姚晨、钱芳主演IT商战悬疑《防火墙5788》饰演贝志诚 。
2009年4月，凭借在话剧《罗密欧与祝英台》中饰演的三轮车夫罗锅，在连续两度获得提名之后终于获得第19届上海白玉兰戏剧表演艺术奖主角奖。
2010年，参与拍摄了姚晨、凌潇肃、钱芳主演的爱情喜剧《和空姐一起的日子》。
2011年，在滕华涛执导，文章、白百何主演的爱情喜剧电影《失恋33天》中饰演陆然。
2012年，与梅婷联合主演安兵基执导的恐怖电影《笔仙》。同年与齐溪、孔维主演职场轻喜剧电影《小鱼吃大鱼》。在都市情感剧《营盘镇警事》中饰演高宇成 。
在徐峥、梅婷主演的情感喜剧《大男当婚》中饰演营盘分局副局长黄伟业。与耿乐、宋佳主演都市励志剧《那样芬芳》，在剧中饰演热血叛逆，幽默又不失温情的浪子林越。
2013年，与张芷溪、陈赫主演都市婚姻剧《月供》饰三流作家周书明 。同年在袁咏仪、李倩主演的古装职场喜剧《龙门镖局》中饰演“商业奇才”陆三金 。同年出演陆毅、秦海璐主演的婚姻题材剧《假如生活欺骗了你》。同年在夏雨、廖凡主演的都市励志剧《我们这拨人》中饰演与汤若一起创业建立网络公司的IT精英高博。
2014年，出演陈思成自导自演的爱情电影《北京爱情故事》。同年与朱雨辰、齐溪主演中国首部约会宝典式轻喜剧《约会专家》。同年联合甘露、李倩主演季播悬疑剧《暗黑者》，在剧中饰演中度分裂兼有内伤的犯罪学教授罗飞，并担任该剧的监制。
2015年3月，参加中央电视台原创中韩明星体验类真人秀节目《叮咯咙咚呛》。5月，与妻子鲍莉参加浙江卫视明星夫妻户外生存真人秀《出发吧爱情》 。7月，赴韩录制韩国KBS 2TV的《中韩梦之队》。
2016年，和迪丽热巴联袂主演爱情喜剧电影《21克拉》。同年参演青春励志谍战剧《解密》。同年主演原创都市轻喜剧《她很漂亮》。10月17日参演的古装网络剧《欢喜密探》播出。10月加盟古装权谋剧《琅琊榜之风起长林》。11月21日，参演的的悬疑网络剧《暗黑者3》开机，该剧将于2017年上半年在腾讯视频平台独家播出。
2017年10月，主演的农村创业剧《青恋》在央一黄金档开播；12月22日，参演的犯罪电影《心理罪之城市之光》上映 。12月29日，搭档冯绍峰、刘亦菲主演的奇幻喜剧电影《二代妖精之今生有幸》上映。
2018年，与杨幂领衔主演刘杰执导的失孤题材电影《宝贝》。1月主演的都市情感剧《都挺好》开机，在剧中饰演苏家老二苏明成。
2019年10月24日，律政职场观察类真人秀《令人心动的offer》节目邀请了郭京飞加盟。郭京飞将与其他明星共同组成offer加油团，一起观察职场实习生的成长，预测谁能最终拿到律所offer。