2003年，史磊在武俠片《關中刀客》中飾演女主角徐帆的兒子，正式出道2004年，他與陳道明、蔣雯麗合作出演都市情感劇《中國式離婚》，飾演宋建平和林小楓的兒子當當
2005年4月，史磊與陳道明、劉嘉玲共同出演年代劇《一江春水向東流》，飾演抗兒 。12月，他參演由陳凱歌執導的東方奇幻電影《無極》，因在片中飾演小無歡一角而為觀眾熟知
2006年，史磊與劉雪華、施羽合作出演民國家庭劇《春天后母心》，飾演常常和弟妹們斗嘴卻心地善良的陳天柱。2007年，他與陳道明、胡軍合作出演古裝歷史劇《臥薪嘗膽》，飾演越王勾踐的弟弟紀儈王子。2008年，他在古裝劇《鹿鼎記》中飾演了少年康熙一角，再次受到關注。
2009年5月，史磊與郭冬臨、劉敏合作出演古裝情景劇《萬卷樓》，飾演講究繁文縟節的學堂班長東郎。10月，他在古裝武俠劇《倚天屠龍記》中飾演男主角張無忌的少年時期 。2010年，他與趙薇、甄子丹合作出演武俠電影《錦衣衛》中，飾演錦衣衛指揮使青龍哥哥。
2011年3月，史磊在傳記電影《我的少女時代》中飾演性格外向的農村孩子三梆子。4月，他主演情感電影《胡楊深處是我家》，飾演性格叛逆的漢族少年高澤。7月，他主演獻禮影片《少年鄧恩銘》，飾演受到革命思想啟蒙、追求真理的少年鄧恩銘。2012年，他在張紀中監制的古裝神話劇《西游記》中飾演金角童子一角。
2013年，史磊主演現實題材影片《插班生》，飾演想要實現上學愿望的農民工之子王小寶。同年，他在年代傳奇劇《浦江危情》中飾演家族遭遇滅門之災的少年謝之飛。
2014年，史磊與范明、楊立新聯袂主演都市情感輕喜劇《老爸太囧》，飾演貨車司機朱耀飛的兒子朱奔 2015年，他主演科幻動作劇《正義聯盟》，飾演為尋找父母失蹤原因而重走探險路的男孩明肅。
2016年，史磊出演由柯威執導的當代都市電影《小角色》。同年，他受邀參加安徽衛視《國劇盛典》，在現場演唱了歌曲《大夢想家》。
2018年，在破次元時尚喜劇《內衣先生》中飾演陳家靜。
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