2005年，參演由宋業(yè)明執(zhí)導的歷史劇《八路軍》，飾演八路軍戰(zhàn)士“張黑白”。2006年9月，參演歷史劇《船政風云》，飾演“張成”。
2012年3月，主演紅色革命歷史題材電視劇《大營救》，飾演性格暴虐無常，殺人如麻的反派角色“韓起功”。10月，參演軍事題材電視劇《孤軍英雄》，飾演“劉達”。12月，參演馮小剛執(zhí)導的電影《一九四二》，片中飾演一名火車站站長。
2013年11月，為科幻動作電影《雷神2：黑暗世界》中的“雷神”飾演者克里斯·海姆斯沃斯配音。
2014年3月，主演現(xiàn)代都市劇《溫暖的日子》，飾演國民黨特務(wù)“胡天癸”。10月，主演由鄭曉龍執(zhí)導的近代傳奇電視劇《紅高粱》，飾演匪首“花脖子”。12月，參演歷史人物傳記電視劇《彭德懷元帥》，飾演抗美援朝時期被稱為萬歲軍的38軍軍長“梁興初”。
2015年3月，參演都市生活情感劇《家有一老》劇中他變身“破爛王”廢品回收站老板，飾演“連大國”一角。
2015年，參演戰(zhàn)爭劇《少帥》，飾演奉系軍閥官員“常蔭槐”。同年，主演諜戰(zhàn)劇《追擊者》，飾演軍統(tǒng)保定站行動科科長“陳克海”。
2016年3月，出演大型反腐題材電視劇《人民的名義》，劇中飾演“程度”一角。5月，出演革命歷史題材電影《第十軍團》，飾演“反一號”國民黨高級將領(lǐng)王耀武。
2017年10月院線電影《胡楊的夏天》，徐光宇擔任電影總制片人，并飾演徐金寶。
2020年9月19日，主演的電視劇《紅旗渠》開機。
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