2005年，任東霖與張晨光、杜雨露、張子琪出演由郭少雄執導的古裝歷史劇《夜來風雨》，在劇中飾演明孝宗朱佑樘之子武宗朱厚照，并演唱主題歌《換心》；同年，任東霖與吳倩蓮、張鐵林、沈傲君出演古裝歷史劇《北魏馮太后》，在劇中飾演李彪。
2006年，出演劉佩琦、吳軍、張子琪主演的家庭懸疑劇《血有多濃》，在劇中飾演薛東霖。2007年，任東霖與杜淳、高圓圓、劉德凱出演由賴水清執導的清末民初愛情劇《愛無悔》，在劇中飾演高家少爺高德智；同年，演唱電視劇《大旗英雄傳》的主題曲《一滴淚》。
2008年，任東霖出演袁立、郭珍霓、佟麗婭主演的古裝歷史劇《母儀天下》，在劇中飾演歷史上有名的漢成帝劉驁。2009年，與黃曉明、王珞丹等聯袂出演商戰情感劇《暗香》，在劇中飾演黃曉明的侄兒皮皮；同年，他與林心如、文章、柯叔元等聯袂出演由李保平、丁仰國聯合執導的都市情感劇《愛在日月潭》，在居中飾演傅康林；之后，與明道合作古裝神話劇《嫦娥》劇中，他首次飾演一個純粹的大反派。
2010年，與賈一平、張光北、馬伊琍出演商戰史詩劇《經緯天地》，在劇中飾演一個重情重義為了朋友兩肋插刀的秦少杰。隨后，與賈一平、張光北、王媛可聯袂主演由黃建中、鐘少雄聯合執導的電視劇《遠期的合約》，在劇中飾演小海；同年，與鞏崢、陳麗媛、文夢洋聯袂主演由浙江海納影視制作公司出品的都市愛情劇《愛情可以有》，在劇中飾演錢嘯。
2011年，參演張恒、韓青、謝君豪主演的民國抗戰劇《血雨母子情》，在劇中飾演邢天；同年，與范明、郭珍霓、姚笛等出演由中央電視臺、浙江華策影視股份有限公司聯合出品的清代古裝判案劇《施公案》，在劇中飾演單元劇《天水間》中心狠手辣草菅人命的反派人物滿族貝勒德榮。
2012年，與張玉嬿、張晨光、陳紫函、田麗主演的情感劇《媽媽你在哪里》拍攝中，任東霖這次在劇中和張晨光飾演一對父子，這是續《夜來風雨》后再度合作，但是任東霖和張晨光對戲絲毫不緊張。任東霖在劇中扮演的洪子昂是一個十分癡情的人；同年，與胡亞捷、何賽飛、何琳等聯合主演的家庭情感劇《那金花和她的女婿》，在劇中飾演二女婿任仲明，是一個討好諂媚的小男人。
2013年，任東霖與毛林林主演時尚茶文化題材電視劇《茗定今世緣》，該劇以“茶”字為中心，講述了天茗茶府和清遠茶莊兩大茶商家族糾葛幾代的紛紛擾擾；隨后，主演由張孝正執導的偶像劇《叫我灰姑娘》，在劇中飾演富二代張摩西；同年，與陳昭榮、馬德鐘、楊婷婷、李芳雯主演由臺灣導演張孝正執導的電視劇《匹夫英雄》，任東霖一改往日熒屏形象，在劇中飾演性格沉穩內斂的土匪首領季風。
2014年，參演吳秀波、姚晨、張萌、方中信主演的現代都市愛情劇《離婚律師》，在劇中飾夏芳草和顧威的婚禮主持人。2015年，參演由上海新文化傳媒集團股份有限公司出品的年代情感劇《兩個女人的戰爭》，在劇中飾演牛成國；隨后出演近代革命電視連續劇《暗戰危城》；同年8月出演由海潤影視有限公司的年代懸疑電視劇《秘密的背后》，在劇中飾演野心檢察官崔俊杰一角。
2016年9月，任東霖與張博、徐百卉合作主演的知青情感劇《遙遠的距離》首映。2017年7月，任東霖出演由沈嚴執導的都市情感劇《我的前半生》首映，在劇中飾演李睿。10月，主演的與張翰、賈青、姚卓君等合作主演的年代傳奇劇《傳奇大亨》首映。2018年8月，任東霖與唐曾、端木崇慧合作主演抗戰劇《奪金戰》，并在北京電視臺首映。
2019年3月，參演由王子鳴、黃天仁執導的都市情感勵志劇《只為遇見你》在芒果TV、優酷視頻播出，他與張銘恩、文詠珊、魏千翔、湯夢佳等人合作；5月，由任東霖、喬喬、郭廣平、姜麗芬共同主演的電影《又是一春梨花白》在院線上映，他在片中飾演梨花的青梅竹馬馬思成。
2020年2月26日，與葉靜、繆婷茹、黃俊鵬等共同主演的抗戰歷史劇《奮勇向前》在山東齊魯頻道首播，他在片中飾演鞠小四。該劇取材自真實歷史事件“徂徠山抗日武裝起義”。
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