青涩出道
1998年,吴彦祖被杨凡导演选中,接拍了个人首部电影作品《美少年之恋》,他在片中饰演帅气十足的警察Sam;同年10月,吴彦祖被张婉婷选中出演爱情文艺片《玻璃之城》,并凭借该片提名第18届香港电影金像奖最佳新演员。
1999年2月13日,吴彦祖与成龙、舒淇合作主演的爱情喜剧片《玻璃樽》上映;6月13日,主演的动作片《特警新人类》上映;同年,主演动作片《紫雨风暴》,饰演一名叫多特的恐怖分子到失忆变成警方卧底的周世杰。
2000年,首次与林超贤导演合作,并出演了警匪动作片《重装警察》;同年11月,吴彦祖再次与杨凡导演合作,并搭档王祖贤出演了文艺片《游园惊梦》,他在片中饰演英俊潇洒的任课教师邢志刚。
2001年,与古天乐合作出演了动作片《野兽之瞳》,他们在片中饰演一对拳击兄弟;10月25日,由张婉婷执导的青春爱情片《北京乐与路》上映,吴彦祖则在片中饰演热爱音乐的Michael。
2002年,吴彦祖与杨千嬅首次合作,并出演了爱情喜剧片《新扎师妹》;同年,在由张艾嘉执导的科幻爱情片《想飞》中饰演自信固执的创作总监卓克;6月14日,主演的惊悚动作片《变脸迷情》上映;11月15日,其搭档李美琪主演的动作片《赤裸特工》上映,并在片中饰演专案小组指挥员杰克。
渐入佳境
2003年3月,再次与杨千嬅合作出演了喜剧片《新扎师妹2》;8月21日,由吴彦祖首次担任监制并主演的惊悚片《妖夜回廊》上映,他在片中挑战一人分饰两角,饰演了一对反差复杂、背景凄惨的孪生兄弟袁森和阿洪,他还凭借该片中的表现入围了第40届台湾电影金马奖最佳男主角;11月,主演古装喜剧片《花魁杜十娘》。
2004年2月,与张柏芝合作,出演由尔冬升执导的动作剧情片《旺角黑夜》,在片中饰演一名叫来福的杀手,他还凭借该片提名第24届香港电影金像奖以及第10届香港电影金紫荆奖最佳男主角;4月8日,吴彦祖在上映的喜剧片《大佬爱美丽》中饰演了英俊潇洒的GeorgieHung;9月24日,与成龙合作主演的犯罪动作片《新警察故事》上映,吴彦祖在片中饰演人格扭曲、残忍又狂妄极端的反派关祖,并凭借该角色获得第41届台湾电影金马奖最佳男配角奖,而他也因此获得了高关注度与人气。
2005年,吴彦祖与梁家辉、郑秀文合作,主演了根据同名小说改编的爱情片《长恨歌》,并在片中饰演温文尔雅但懦弱无助的康明逊;同年7月,吴彦祖首次与内地导演合作,出演由冯小刚执导的古装宫廷片《夜宴》,这是他首次尝试古装造型,并在片中饰演了太子无鸾一角。
崭露头脚
2006年4月20日,吴彦祖执导并担任编剧的个人电影处女作《四大天王》上映,他还凭借该片获得了第26届香港电影金像奖新晋导演奖、第7届华语电影传媒大奖最佳新导演奖。
2007年2月13日,吴彦祖主演的由尔冬升执导的剧情片《门徒》上映,他在片中饰演亦正亦邪的警方卧底阿力;8月16日,由吴宇森担任监制的动作片《天堂口》上映,吴彦祖在片中饰演从穷小子变成为上流社会人士的阿峰。
2008年,吴彦祖联同林建岳成立了星革盟有限公司经纪公司。
2009年4月2日,吴彦祖搭档成龙主演的动作片《新宿事件》上映,该片由尔冬升执导,这是吴彦祖与尔冬升导演第四度合作,他在片中饰演原本善良胆小但陷入黑道后的十分残忍黑帮头目阿杰;7月24日,吴彦祖与刘青云、古天乐合作主演的警匪动作片《窃听风云》上映,该片上映后首日票房破千万,成为首部在内地放映首日过千万的香港警匪片。吴彦祖则在片中饰演了网络天才林一祥。
2010年2月11日,吴彦祖与徐若瑄等众多艺人联合主演的爱情片《全城热恋》上映,并在片中饰演木纳寡言的寿司司傅;4月30日,吴彦祖搭档袁泉主演的爱情片《如梦》上映,他在片中饰演患有自闭症的软件工程师麦克,并凭借该角色提名第46届台湾电影金马奖最佳男主角;7月2日,与古天乐、李冰冰合作主演的动作片《枪王之王》上映,吴彦祖在片中饰演了心思缜密的警员庄子维。
全面发展
2011年3月,吴彦祖与冯德伦合作创立了突围映画电影制作公司,并与华谊兄弟签订了五年合作协议;3月31日,与古天乐、高圆圆合作主演的都市爱情片《单身男女》上映,片中饰演痴情专一的建筑师方启宏;同年,在由韩三平、黄建新联合执导的献礼历史片《建党伟业》中饰演胡适一角,这是吴彦祖首次扮演历史人物;8月18日,主演的警匪动作片《窃听风云2》上映,该片内地票房达1.63亿元,蝉联周票房冠军,并创下华语警匪片票房纪录。吴彦祖则在片中饰演了不择手段、心狠手辣的退伍军人司马念祖。
2012年5月4日,由伍仕贤执导的剧情片《形影不离》上映,吴彦祖在片中饰演患有心理疾病的工程师李越;9月27日,吴彦祖担任监制并出演的武侠动作片《太极2:英雄崛起》上映,他在片中挑战出演造型邋遢、身披袈裟的世外高僧疯和尚;11月29日,与刘烨、张震合作主演的古装历史片《王的盛宴》上映,吴彦祖则在片中饰演了西楚霸王项羽一角。
2013年11月22日,吴彦祖担任监制并主演的犯罪动作片《控制》上映,他在片中饰演具有双重人格的保险业务员马克;同年,搭档沙尔托·科普雷主演了科幻惊悚片《木卫二报告》,吴彦祖在片中饰演太空宇航员威廉姆·徐。
2014年4月18日,与张家辉领衔主演的悬疑犯罪片《魔警》上映,该片由林超贤执导,吴彦祖在片中饰演尽忠职守的警员王伟业,并凭该角色提名第34届香港电影金像奖最佳男主角;5月29日,其主演的犯罪片《窃听风云3》上映,该片取得了3.13亿元的票房成绩,吴彦祖则在片中饰演了电脑高手阿祖;7月17日,吴彦祖的蜡像获邀入驻香港杜莎夫人蜡像馆;11月11日,其友情出演的爱情片《单身男女2》上映。
2015年8月13日,搭档白百何主演的励志喜剧片《滚蛋吧!肿瘤君》上映,该片根据同名漫画改编,吴彦祖在片中出演医术卓绝的梁医生,该片上映后取得5.1亿元的票房成绩;11月15日,吴彦祖担任制作人并主演的功夫美剧《荒原第一季》在美国AMC电视台首播,他在剧中饰演了武艺精湛的杀手Sunny。
2016年6月8日,由邓肯·琼斯执导的奇幻动作片《魔兽》在中国内地上映,吴彦祖在片中饰演了狡猾又残忍的古尔丹。之后该片于6月10日在美国上映,全球票房成绩达4.32亿美元;11月25日,其主演的动作悬疑片《冲天火》上映,该片由林岭东执导,吴彦祖在片中饰演正义的保安主管宗天保。
2017年3月19日,吴彦祖主演的功夫美剧《荒原第二季》在美国AMC电视台首播,该剧平均收视率达3.6M,在美国有线平台排名第4;10月13日,其首次参加的户外建筑真人秀节目《漂亮的房子》在浙江卫视播出;10月20日,与杰拉德·巴特勒、吉姆·斯特吉斯等合作主演的灾难片《全球风暴》在美国上映,他在片中饰演数据分析师郑龙,该片于10月27日在中国内地上映。
2018年3月16日,搭档艾丽西亚·维坎德主演的动作奇幻片《古墓丽影:源起之战》在美国和中国内地同步上映,吴彦祖则在片中饰演一名经验丰富的船长陆仁;4月22日,与艾米丽·比查姆、阿拉米斯·奈特等人联合主演的美剧《荒原第三季》在美国AMC电视台首播。
2019年5月16日,吴彦祖出席第72届戛纳国际电影节红毯;同年8月,其主演的动作警匪电影《限期破案》发布了预告,吴彦祖在片中饰演犯罪团伙的头目张隼;同年10月,确定出演科幻惊悚电影《追忆》。