2011年6月,王彦霖还在上海戏剧学院读大三时,便被导演陈铭章看中,与言承旭、翁虹等演员合作出演了个人首部影视作品,在爱情偶像剧《我的灿烂人生》中饰演郑棋。
2013年,参演由高以翔、焦俊艳主演的治愈系言情剧《遇见王沥川》,饰演女主角谢小秋的弟弟谢小冬,一个诚实懂事,总是维护支持姐姐的大男孩。
2014年7月,参演由胡歌、江疏影主演的青春励志剧《旋风十一人》,饰演崇越。8月,参演由陆毅、蒋劲夫、陈妍希主演的古装武侠剧《秦时明月》,饰演以轻功见长,有无人能敌速度的墨家统领之一东郭植(盗跖),对女主角端木蓉展开追求。
2015年1月,参演由唐嫣、刘恺威主演的民国偶像爱情剧《千金女贼》,饰演的白氏企业的二当家“石头”是个重情重义、爱憎分明的角色,辅佐男主角经营家族事业,与妄图侵占上海的日本人斗智斗勇。7月参演由韩东君、金晨、张若昀主演的民国玄幻季播网络剧《无心法师》,饰演亦正亦邪、让人难以捉摸的文县司令”顾大人“顾玄武。同年参演由陈铭章执导,陈晓、周冬雨主演的都市爱情剧《遇见爱情的利先生》,饰演裴家齐一角。12月中旬参演由陈铭章执导,王丽坤、朱亚文、叶青等主演的都市职场爱情剧《漂洋过海来看你》。
2016年4月1日由陈国富监制,杨庆编剧及导演,陈坤、白百何、秦昊、喻恩泰联袂主演的电影《火锅英雄》上映,在电影《火锅英雄》中王彦霖首次出演反派角色,王彦霖化身为匪徒老大唐僧带领劫匪四人组成为了亮点,和陈坤饰演的刘波进行最后的抗衡带动剧情的起伏。
2016年4月,主演由著名作家桐华小说改编的同名电视剧《那片星空那片海》。5月主演由吴锦源执导的《楚乔传》,饰演宇文世家的大少爷——宇文怀。7月,主演民国玄幻网络剧《无心法师2》。
2017年1月,由其主演的《继承者计划》正式杀青,该剧讲述的是王彦霖饰演的双面卧底,在异国上演的一场惊心动魄的经历。5月,主演校园青春题材电影《毕业进行时》。
2018年9月,参加合宿生活观察类真人秀《Hi室友》,并与另外7位嘉宾共同演唱了同名主题曲《Hi室友》。
2019年2月,加盟浙江卫视《奔跑吧》担任MC。2019年11月,王彦霖参演的综艺《小小的追球》上线。节目中,王彦霖成功完成了减少碳排放挑战任务,获得了由驻冰岛大使金智健和冰促进局颁发的“冰岛环保旅行大使”称号。2020年1月25日,与彭于晏、辛芷蕾合作主演的电影《紧急救援》定档于大年初一上映。