王彥霖2011年6月,王彥霖還在上海戲劇學院讀大三時,便被導演陳銘章看中,與言承旭,翁虹等演員合作出演了個人首部影視作品,在愛情偶像劇《我的燦爛人生》中飾演鄭棋。2013年,參演由高以翔,焦俊艷主演的治愈系言情劇《遇見王瀝川》,飾演女主角謝小秋的弟弟謝小冬,一個誠實懂事,總是維護支持姐姐的大男孩。2014年7月,參演由胡歌,江疏影主演的青春勵志劇《旋風十一人》,飾演崇越。8月,參演由陸毅,蔣勁夫,陳妍希主演的古裝武俠劇《秦時明月》,飾演以輕功見長,有無人能敵速度的墨家統領之一東郭植,對女主角端木蓉展開追求。2015年1月,參演由唐嫣,劉愷威主演的民國偶像愛情劇《千金女賊》,飾演的白氏企業的二當家“石頭”是個重情重義,愛憎分明的角色,輔佐男主角經營家族事業,與妄圖侵占上海的日本人斗智斗勇。7月參演由韓東君,金晨,張若昀主演的民國玄幻季播網絡劇《無心法師》,飾演亦正亦邪,讓人難以捉摸的文縣司令”顧大人“顧玄武。同年參演由陳銘章執導,陳曉,周冬雨主演的都市愛情劇《遇見愛情的利先生》,飾演裴家齊一角。12月中旬參演由陳銘章執導,王麗坤,朱亞文,葉青等主演的都市職場愛情劇《漂洋過海來看你》。2016年4月1日由陳國富監制,楊慶編劇及導演,陳坤,白百何,秦昊,喻恩泰聯袂主演的電影《火鍋英雄》上映,在電影《火鍋英雄》中王彥霖首次出演反派角色,王彥霖化身為匪徒老大唐僧帶領劫匪四人組成為了亮點,和陳坤飾演的劉波進行最后的抗衡帶動劇情的起伏。2016年4月,主演由著名作家桐華小說改編的同名電視劇《那片星空那片海》。5月主演由吳錦源執導的《楚喬傳》,飾演宇文世家的大少爺——宇文懷；7月,主演民國玄幻網絡劇《無心法師2》。2017年1月,由其主演的《繼承者計劃》正式殺青,該劇講述的是王彥霖飾演的雙面臥底,在異國上演的一場驚心動魄的經歷；5月,主演校園青春題材電影《畢業進行時》。2018年9月,參加合宿生活觀察類真人秀《Hi室友》,并與另外7位嘉賓共同演唱了同名主題曲《Hi室友》；同年,主演的電視劇《繼承者計劃》上映；參演電影《紅海行動》。2019年2月,加盟浙江衛視《奔跑吧》擔任MC；2019年11月,王彥霖參演的綜藝《小小的追球》上線,節目中,王彥霖成功完成了減少碳排放挑戰任務,獲得了由駐冰島大使金智健和冰促進局頒發的“冰島環保旅行大使”稱號。2020年7月,參與騰訊視頻關注認知障礙公益節目《忘不了餐廳第二季》,擔任副店長；7月31日,加盟湖南衛視的全明星競技類實景游戲真人秀《元氣滿滿的哥哥》；10月27日,加盟騰訊視頻綜藝《平行時空遇見你》；2020年12月4日,友情出演電影《如果聲音不記得》；12月18日,與彭于晏,辛芷蕾合作主演的電影《緊急救援》上映,在片中飾演交通海上應急反應特勤隊絞車手趙呈。2021年3月,領銜主演由劉工乙執導的懸疑喜劇片《玩火》；5月5日,加盟綜藝《怦然心動20歲》；6月,領銜主演輕喜劇《點心之路》,在劇中飾演天才大廚何弦；7月16日,搭檔程小蒙主演的都市愛情青春勵志喜劇《燃燒吧！廢柴》開播,在劇中飾演死要面子愛做電影夢的客棧CEO方天逸；7月26日,領銜主演的都市愛情劇《你是我的榮耀》播出；9月19日,出演的電影《日常幻想指南》上映；12月28日,以“半熟觀察員”參加的輕熟齡戀愛觀察真人秀《半熟戀人》播出；參演電視劇《雪中悍刀行》。2022年2月1日,參演韓寒執導的電影《四海》上映；2月25日,參加的冬日趣玩娛雪綜藝《超有趣滑雪大會》播出第七期；4月12日,加盟旅行綜藝《新游記》；8月,主演由十一月執導,韓寒監制的網絡劇《飛馳人生》。2023年1月30日,網劇《飛馳人生》全陣容官宣：王彥霖領銜主演；2023年4月8日,主演由正午陽光出品的電視劇《艱難的制造》宣布開機；5月11日,入選《漂亮的戰斗》飛行嘉賓官宣陣容；5月25日,出演的電視劇《熟年》播出；6月,參加綜藝節目《是好朋友的周末》；6月23日,參加的綜藝節目《是好朋友的周末》在優酷播出；7月5日,領銜主演由李木戈執導的電視劇《我的人間煙火》播出。王彥霖《點心之路》王彥霖《新游記》王彥霖《超有趣滑雪大會》王彥霖《緊急救援》王彥霖《如果聲音不記得》王彥霖《平行時空遇見你》王彥霖星辰大海電影頻道青年演員優選計劃王彥霖《你是我的榮耀》王彥霖《雪中悍刀行》王彥霖《楚喬傳》王彥霖《無心法師》王彥霖《火鍋英雄》王彥霖《秦時明月》王彥霖《那片星空那片海》王彥霖《漂洋過海來看你》
2021年3月,王彥霖被拍到與一名女生一同聚餐,兩人喝同一杯飲料,摸臉牽手,晚上吃過飯后,王彥霖摟著女生的腰離開,疑似戀情曝光。而該女生疑似是王彥霖的表演系同學艾佳妮。3月2日,王彥霖微博曬與艾佳妮的畢業合照,承認兩人的戀情。他寫道：“刻在我心里的名字,錯過了一陣子,不能錯過了一輩子。”2021年5月20日,王彥霖宣布和女友艾佳妮領證結婚,并曬出結婚證和一組甜蜜合照；7月17日,二人舉行了婚禮。2022年4月10日,王彥霖宣布其孩子出生。
在《小小的追球》畢業典禮上追球團王彥霖等嘉賓因為采集生物樣本,關注生態環境多樣性,獲得了中國綠發會宣傳大使的稱號,這是一份榮譽,更是一份責任,他們要廣泛動員全社會關心和支持生物多樣性保護和綠色發展事業。2021年7月,王彥霖為河南暴雨災情捐款100萬元。
王彥霖活動照王彥霖的形象陽剛充滿男子氣概,在《千金女賊》中將黑幫大哥石頭這個角色的俠肝義膽氣質把握的非常到位。在《無心法師》中化身蠢萌二的軍閥顧玄武,舉手投足皆帶喜感,他的喜劇才華受到網友的稱贊。王彥霖沒有將心思放在如何炒作成名上,而是堅持將要真正的好作品呈現給觀眾,始終保持著作為演員的初心。