2006年9月，吳磊參演的古裝劇《少年楊家將》播出，他在劇中飾演了幼年時期的楊六郎。2007年2月6日，吳磊出演的神話劇《封神榜之鳳鳴岐山》在中央八套播出，他在劇中飾演了小哪吒。
2008年8月，參演魔幻武俠劇《魔劍生死棋》；10月，他還參演民國情感劇《順娘》。
2009年4月7日，在年代懸疑情感劇《深宅》中飾演富家少爺喬偉；7月，主演了科幻情景喜劇《家有外星人》，并在劇中飾演淘氣、活潑卻又不乏沉穩與早熟的唐不苦；11月，在民國年代劇《娘妻》中飾演童年時期的高耀宗；同年，他還主演家庭片《川川和洋洋》，并在片中飾演洋洋。
2010年6月，在民國愛情劇《誰知女人心》中飾演喜兒。2011年，吳磊主演了真人版兒童情景劇《淘氣包馬小跳》，并在劇中飾演聰明與機智的馬小跳；10月17日，在家庭倫理劇《團圓》中飾演童年劉士文；同年，他還出演了科幻劇《烏托邦辦公室》。
2012年6月，吳磊主演的武俠劇《自古英雄出少年》首播，他在劇中飾演了官家子弟邵揚。
2013年5月6日，其主演的科幻家庭劇《我的媽媽是天使》播出，他在劇中飾演了智障兒姜小強；6月，吳磊參演的家族懸疑劇《娘心》首播，他在劇中飾演一人分飾兩角，分別飾演了少年天成和王明輝；隨后，參演古裝神話劇《蓬萊八仙》；9月，在情感劇《說好不流淚》中飾演冷天佑；同年，他還參演了愛情劇《紅轎子》。
2014年12月，在古裝武俠劇《神雕俠侶》中飾演少年時期的楊過。
2015年5月3日，作為固定嘉賓加盟趣味代際對抗益智節目《好好學吧》，他在節目中擔任守擂隊長；6月16日，其主演的古裝跨次元互動網劇《仙劍客?！吩趦灴崾撞?，吳磊在劇中飾演了余杭鎮資深店小二李逍遙；7月7日，與胡冰卿、楊洋合作主演了青春勵志劇《旋風少女》，并在劇中飾演平時樣子懶散、實則深藏不露的松柏道館的師兄胡亦楓；9月19日，與胡歌、劉濤、王凱等人共同出演的古裝謀權劇《瑯琊榜》播出，其在劇中飾演心智不全但武功奇高的護衛飛流，吳磊還憑借該劇獲得愛奇藝之夜最受歡迎新人及國劇盛典最具潛質演員獎；隨后，他還搭檔陳喬恩主演魔幻3D電影《奇跡：追逐彩虹》；11月29日，吳磊參演的古裝武俠劇《秦時明月》首播，其在劇中飾演秦末代皇帝子嬰。
2016年1月22日，以固定嘉賓的身份加盟真人秀節目《二十四小時第一季》；3月1日，與樸海鎮、李菲兒合作主演的都市愛情偶像劇《遠得要命的愛情》首播，他在劇中飾演單親少年孟響；3月20日，與張翰、古力娜扎共同出演的《山海經之赤影傳說》播出，他在劇中飾演了活潑調皮鬼點子的土豪神仙石佩佩；隨后，主演3D喜劇《大鬧東?！?；7月20日，繼續主演青春勵志劇《旋風少女第二季》。
2017年1月3日，吳磊領銜主演的古裝奇幻劇《奇星記之鮮衣怒馬少年時》首播，他在劇中飾演了半人半魔的少年英雄展雄飛，該劇在收官時播放總量超13億；隨后，搭檔林允主演改編自天蠶土豆同名小說的古裝玄幻劇《斗破蒼穹》，并在劇中飾演天資聰穎、毅力驚人的蕭炎；2月3日，繼續加盟真人秀節目《二十四小時第二季》；3月，加盟劇情片《影》；5月5日，以固定主持的身份加盟原創文化探秘類節目《七十二層奇樓》；9月30日，其主演的動作影片《極致追擊》上映，他在片中飾演精通各種高端科技的天才少年唐叮當；同年，他還領銜主演探險題材劇《沙海》，并在劇中飾演探險關鍵人黎簇。
2018年，他主演了奇幻片《阿修羅》，并在片中一人分飾兩角，分別飾演了人界牧羊少年如意和阿修羅王的洞察之頭；7月，季播劇《沙?！凡コ?，騰訊視頻累計網絡播放量突破50億；9月，《斗破蒼穹》網臺同播,截止收官全網播放量突破47.8億 ；同年，張藝謀作品《影》上映，吳磊出演少年武將楊平。
2019年2月4日，2019年中央廣播電視總臺春節聯歡晚會，吳磊與秦嵐、江疏影、景甜、王俊凱、王源、易烊千璽演唱歌曲《我們都是追夢人》。5月，與鹿晗、代露娃、劉帥良等合作主演的超級網劇《穿越火線》在深圳開機。
2019年，出演古裝神話劇集《山海經之上古密約》。
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