2005年，在古裝宮廷劇《太祖秘史》中飾演“興尼雅 ”一角而正式出道。同年，在古裝神話搞笑愛情電影《情癲大圣》中客串“天官”一角。2008年，參演了古裝神話劇《八仙全傳》，她在劇中飾演了藍采和；在民國苦情劇《爸爸天亮叫我》中飾演了掌珠；同年參演了民國愛情喜劇《多情女人癡情男》。
2009年，參加東方衛(wèi)視女性選秀節(jié)目《加油！東方天使》，獲得北京賽區(qū)五強；同年，在革命青春勵志劇《戰(zhàn)火中青春》中飾演了朵兒；同年參演了古裝神話劇《聊齋三》，客串了白秋菊一角；同年參演了民國傳奇歷史劇《叫花子買辦孟來財》，并在劇中飾演了源田春子。2010年，主演的醫(yī)患題材劇《大源奇事》播出；同年在古裝破案劇《包青天之七俠五義》中飾演梧桐。
2011年，在革命青春勵志劇《洪流》中飾演了為國家興亡舍身忘死的熱血青年趙天心；同年客串出演了古裝商業(yè)劇《大宅門1912》，并在劇中飾演了水靈；在《小白菜奇案》中大綱女一號小白菜；同年主演的古裝劇《施公案》播出，在劇中飾演了蘇靈。2012年，參演了諜戰(zhàn)劇《九死一生》，并在劇中飾演了古文雅；在青春偶像劇《加油媽媽》中飾演了網(wǎng)絡節(jié)目主持人周語晨。
2013年，參演了近代革命歷史劇《飄帥》，她在劇中飾演了成熟冷靜文武雙全的共產黨地下黨員刑書媛；參演了古裝傳奇劇《蘭陵王》，并在劇中分別飾演了鄭兒和馮小憐；參演了都市情感勵志劇《無聲戀曲》，她在劇中飾演了時尚性感的酒吧歌手路雨純；同年主演了古龍武俠劇《陸小鳳與花滿樓》。
2014年，主演了青春偶像劇《加油愛人》，并在劇中飾演了干練厲害的富家小姐范昀；11月，在楊蓉主演的古裝愛情劇《美人制造》第八單元中出演單元女主角，并在劇中飾演了氣質典雅的大唐絕色美女東方青；同年參演了青春 偶像劇《遇見愛情的利先生》。
2015年8月25日，與柳巖搭檔主演的情感劇《兩個女人的戰(zhàn)爭》播出，毛林林在劇中飾演了善良單純、為愛癡狂的知青女孩牛淑榮。
2016年7月15日，毛林林作為開篇四期的唯一女嘉賓，參加了全明星體能對抗類綜藝節(jié)目《陽光藝體能》。11月24日，主演的都市愛情劇《愛情珠寶》播出，毛林林在劇中飾演了大家族中賢惠知性的“二嫂”宋琪。
2017年，與韓雪合作主演了年代劇《亂世麗人行》，她在劇中飾演了飛揚跋扈的大小姐謝若雪。7月，出演楊冪主演的都市情感劇《談判官》 。同年主演的諜戰(zhàn)劇《紅薔薇》播出，毛林林在劇中飾演了軍統(tǒng)特工顧霜菊。
2018年，出演新版《神雕俠侶》李莫愁。7月，與趙文卓合作出演電視劇《霍元甲》。
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