1997年出演電影《離婚了就別再來找我》。
1998年參與拍攝電影《布拉格有張床》。
2000年參演電影年《沖天飛豹》，合作演員胡軍。
2002年，參與拍攝電影《離婚了就別再來找我》。同年參演電視劇《刑警故事》，之后參演電視劇《獵豹出擊》。
2006年電視劇《刀鋒1937》導演郭靖宇，飾演唐維特，是孫紅雷的拜把兄弟。同時出演電影《綠帽子》，與廖凡合作。
2007年參與主演電影《我的實習生活》，開始受到關注。
2008年參演電影《一半是海水，一半是火焰》，在這部根據王朔同名小說改編的電影里扮演一位重情重義的角色鄭重。同年參演《高興》，扮演黃八。
2009年，參與拍攝電影《荒村公寓》，出演一名私家偵探，與“表弟”余文樂一起到荒村古宅中探秘。
2010年，參與拍攝由阿甘執導，亞洲首部全片3D立體電影《唐吉可德》。
2011年電視劇《風聲傳奇》，飾演一位別樣感覺的軍統處長“王田香”。同年參演電視劇《紅妝》，海一天飾演正義醫生陳少凱。
2013年，海一天出演央視黃金檔家庭溫情劇《有你才幸福》，劇中與老 戲骨李雪健合作飾演兒子祺滿雨；高滿堂編劇新作《工人大院》中的藝術工人“張勁松”；鄭曉龍、劉心剛執導的電視劇《女人幫》中的莊森，一個多金浪漫的男人。7月，參與拍攝抗戰題材電影《正骨》，海一天在影片中扮演一個日本軍官東川矢菊。
在2014年底播出的由蔣家駿、查傳誼聯袂執導的歷史風云電視劇《風雷急》中扮演角色鄭仕森，則是一個陰險的大反派。同年在3D魔幻電影《西游記之大鬧天宮》中，扮演“仙界導師”菩提老祖。出演電視劇《二十四道拐》飾演劉顯龍。12月，參與拍攝京味情感倫理劇《傻柱》；12月23日，參與拍攝的電影《智取威虎山》上映。
2015年，參演電視劇《封神》，在劇中飾演申公豹。
2017年，參演的古裝劇《凰權·弈天下》，在劇中扮演天盛王朝太子寧川。同年，參演諜戰劇《脫身》，飾演保密局姜科長。
2018年，參演電視劇《欲望之城》，飾演廖長亭。參演電視劇《慶余年》，飾演監察院一處主辦朱格。同年，出演電視劇《芝麻胡同》，飾演吳友仁。主演電視劇《警官王快樂》，飾演男一號王快樂。8月，參與北京衛視王牌綜藝《跨界喜劇王》。10月，主演又葉大鷹執導的電影《大鱷之門》；11月，主演建國70周年獻禮電影《為國而歌》，飾演張潤武。
2019年，海一天主演公安緝毒題材電視劇《勇者無懼》。
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