1988年，车胜元成为模特，并由此进入演艺圈。1995年，出演首部电视剧《风之歌》。1997年，参与拍摄首部电影《汉城假日》；同年参演了电视剧《纽约故事》。
1998年，主演由李光勋执导的爱情电影《赤色人鬼恋》。1999年，参与拍摄电影《加油站袭击事件》；同年与宋承宪、李美妍、裴斗娜联袂主演SBS电视剧《爱情故事》。
2000年，与金秀路、刘智泰、金圭莉共同主演了枪战片《烈火焚城》。2001年，车胜元主演了金尚镇导演的喜剧片《新罗月夜》，该片以400万的观影人次成为“韩国年度十大卖座电影”。
2002年，主演的喜剧片《光复节特赦》在韩国的观影人次超过307万，成为“韩国年度十大卖座电影”。
2003年，车胜元主演了学校题材的影片《老师你好》，该片在韩国的观影人次达到240万；之后与权相佑、金敏贞合作主演爱情电影《X计划》；同年车胜元凭借《保镖》获得KBS演技大赏最优秀演技赏，凭借《光复节特赦》获得第39届百想艺术大赏最佳男演员奖。
2004年，车胜元在金尚镇执导的喜剧鬼片《幽灵鬼屋》中扮演一位能够看到幽灵的男人；同年友情出演李志勋、廉晶雅主演的电影《女老师VS女学生》。
2005年，车胜元一改喜剧路线，主演了金大胜执导的悬疑片《血之泪》；同年与申河均、金智秀、柳承龙共同主演悬疑电影《请在鼓掌的时候离开》，饰演性格火爆的检查官崔延奇。2006年，车胜元主演了爱情片《国境的南边》。
2007年，车胜元在电影《儿子》中第一次挑战父亲的角色，并且凭借剧中塑造的强植一角获得第15届春史大赏男子优秀演技赏；同年，车胜元参与拍摄了张圭成执导的喜剧片《郡守与里长/里长与郡守》，该片于2007年3月29日在韩国上映。
2008年，车胜元拍摄了郭景泽监制的动作片《有仇必报》，扮演兼备冷静头脑和大胆行动力的天才罪犯安玄珉；截至2008年12月，《有仇必报》在韩国的观影人次超过了250万，成为“韩国年度十大卖座电影”。
2009年，车胜元再次回归电视剧领域，在SBS水木剧《市政厅》中饰演梦想当总统的仁州市副市长祖国，此剧从首播到结束，收视率在同时段播出的水木剧中一直排在第一位；8月，与黄正民、韩智慧、白成铉共同主演李俊益执导的古装片《冲破云层之月》；11月，车胜元接拍了战争电影《到炮火中去》。
2010年3月，主演SBS电视剧《雅典娜：战争女神》，饰演恐怖组织“雅典娜”的首领孙赫；6月16日，车胜元主演的战争片《到炮火中去》在韩国上映，该片上映19天后观影人次突破了240万。
2011年，与孔孝真、尹启相、刘仁娜共同主演MBC水木剧《最佳爱情》，饰演性感、体贴的男明星独孤真，凭借该剧车胜元获得2011年MBC演技大赏男子迷你剧系列最佳男主角奖。
2012年，与郑雨盛、秀爱、金民钟联袂主演动作电影《雅典娜：无间谍局》，饰演美国情报局东亚分部的部长孙赫。2013年，主演张镇导演执导的动作电影《高跟鞋》。
2014年，与李胜基、高雅拉、安宰贤共同主演SBS水木剧《你们被包围了》，饰演刑警组组长徐判锡。
2015年，与李沇熹、金载沅、徐康俊共同主演4月13日首播的MBC月火剧《华政》，饰演朝鲜王朝第十五代君主光海君。
2017年，出演李海英执导的电影《毒战》，在片中饰演与警方合作的贩毒组织成员；12月，出演电视剧《花游记》。
