2007年，參加東方衛視選秀娛樂節目《加油！好男兒》的比賽，獲得沈陽唱區冠軍、全國總決賽冠軍、最佳網絡人氣獎，從而正式進入演藝圈；7月，簽約華誼兄弟，成為旗下簽約藝人，并與付辛博正式以“BoBo”組合的形式發展；7月25日，推出個人翻唱單曲《凌晨三點鐘》，收錄于《好男兒站出來2》合輯中；9月29日，隨BoBo出版組合首本寫真集《BOBO·雙城記憶》 ；10月15日，隨BoBo推出組合首張EP專輯《光榮》，收錄了包括《唱歌給你聽》、《光榮》等在內的3首歌曲；12月17日，隨BoBo獲得“第二屆騰訊星光大典”最具潛力組合獎。
2008年4月，隨BoBo出版組合第二本寫真集《王子進化論》；4月27日，隨BoBo推出組合首張音樂專輯《世界之大》，收錄了包括《時刻準備著》、《我們唱的歌》等在內的17首歌曲；10月，隨BoBo出版書籍《逆風》，該書籍為組合首張音樂專輯《世界之大》的影音圖文升級版；同年，隨BoBo獲得“首屆中國海西時尚娛樂盛典”最具人氣組合獎；之后，與楊紫、王曉晨、黃圣依合作主演都市勵志喜劇《女孩沖沖沖》，在劇中飾演心地善良、簡單純正的男主角井小喬；此外，他還客串了曹保平執導的懸疑愛情電影《李米的猜想》，并在片中飾演了一名出租車乘客，而這也是他的首部電影作品。
2009年4月，隨BoBo獲得“MusicRadio中國TOP排行榜”內地最受歡迎組合獎，而歌曲《時刻準備著》則獲得內地年度金曲獎；7月，隨BoBo出版書籍《交換日記》；同年，出演蔣笑笑執導的百集校園情景劇《青春進行時》，在劇中飾演有些孩子氣、愛鬧小情緒的男主角井寶；之后，與謝霆鋒、張學友、吳彥祖合作主演愛情電影《全城熱戀》，在片中飾演陽光帥氣的小方。
2010年3月3日，隨BoBo推出與張禹凌合唱的歌曲《全城熱戀》；5月，憑借電影《全城熱戀》獲得“第17屆北京大學生電影節”最佳新人獎；6月3日，隨BoBo推出組合第二張音樂專輯《Let's BOBO》，收錄了包括《全城熱戀》、《停不了的快樂》等在內的9首歌曲；9月，隨BoBo獲得“大本鐘獎”最具潛力音樂團體新人獎的提名；隨后，簽約種子音樂，成為旗下簽約藝人；同年，BoBo宣布單飛不解散，成員各自發展；12月20日，與郭書瑤推出EP專輯《暖暖手》。
2011年2月22日，其主演的愛情喜劇電影《全球熱戀》上映，而他在片中則飾演了懷才不遇的青年作家聞風；6月13日，推出首張個人音樂專輯《井柏然》，收錄了包括《正版男友》、《情歌變得不好聽》等在內的10首歌曲；12月，其演唱的歌曲《愛情掉在哪里》、《暖暖手》分別獲得“音樂先鋒榜頒獎典禮”內地十大先鋒金曲獎、最受歡迎對唱金曲獎；此外，他還出版了個人寫真集《井色》。
2012年2月8日，推出個人單曲《不過情人節》；隨后，獲得“第11屆中國原創音移動圖冊樂流行榜”最優秀新人獎，而歌曲《井字游戲》則獲得內地金曲獎；同年，憑借專輯《井柏然》獲得“第二屆全球流行音樂金榜”最佳新人銀獎；5月11日，其主演的愛情電影《影子愛人》上映，而他在片中則飾演了與美惠子相戀的畢達；8月，隨著組合成員付辛博與經紀公司華誼兄弟合約期滿，成立五年的“BoBo”組合正式解散；8月14日，其主演的劇情電影《消失的子彈》上映，而他在片中則飾演了陽光開朗、幽默風趣的小伍；12月20日，其主演的古裝武俠電影《血滴子》上映，而他在片中則飾演了殺手組織“血滴子”成員侯佳十三。
2013年，與陳好、黃海波、王千源合作主演都市喜劇《新編輯部故事》，在劇中飾演個性溫和且敬業能干的雜志網站編輯何澈澈 ；12月24日，推出個人單曲《你飛到城市另一邊》；12月31日，其主演的劇情電影《等風來》上映，而他在片中則飾演了帥氣多金、幽默開朗的男主角王燦。
2014年，與劉德華、吳君如合作主演劇情電影《失孤》，在片中飾演四歲時被拐的修車小伙曾帥；同年，與鄭爽、陳翔、黃柏鈞合作主演古裝穿越情感劇《相愛穿梭千年》，在劇中飾演溫潤如玉且謙謙有禮、并從西漢穿越到現代的男主角公明；11月21日，其主演的清裝動作電影《黃飛鴻之英雄有夢》上映，而他在片中則飾演了男主角黃飛鴻的摯友赤火。
2015年，參加湖南衛視明星姐弟自助遠行真人秀節目《花兒與少年第二季》；同年5月，受邀參加“戛納電影節”；7月，被聯合國人居署授予“青年創新創業獎青年形象大使”的稱號；7月16日，其主演的古裝奇幻電影《捉妖記》上映，而他在片中則飾演了性格溫和、待人友善、并陰錯陽差懷上妖怪胡巴的男主角宋天蔭；7月31日，出版書籍《小井想要一部時光機》；8月5日，推出與白百何合唱的歌曲《明天你會在哪里》；8月27日，其主演的劇情電影《三城記》上映，而他在片中則飾演了與仇大姐相戀的收買華；9月，憑借電影《失孤》獲得“第30屆金雞獎”最佳男配角獎的提名；9月16日，其主演的電影《捉妖記》累計票房達到了24.38億；與此同時，他還獲得了“GQ年度人物盛典”年度實力偶像獎；11月，成為《T Magazine》中國版創刊后的首位封面男星。
2016年，與Angelababy合作主演根據同名小說改編的愛情電影《微微一笑很傾城》，在片中飾演網名“一笑奈何”、外表清俊但卻很自戀的男主角肖奈；5月14日，受邀參加“戛納電影節”；8月5日，其主演的動作冒險電影《盜墓筆記》上映，而他在片中則飾演了外表高冷孤傲、為人神秘莫測且身手不凡的男主角張起靈；同年，參加江蘇衛視戶外真人秀節目《我們戰斗吧》，并與楊爍、白敬亭一同為該節目演唱同名主題曲《我們戰斗吧》；隨后，推出個人單曲《最初的夢想》，并作為電影《微微一笑很傾城》的推廣曲；10月，主演許誠毅執導的古裝奇幻電影《捉妖記2》。
2017年1月27日，參加中央電視臺春節聯歡晚會，并與張藝興合唱歌曲《健康動起來》；2月14日，推出與田馥甄合唱的歌曲《美女與野獸》；4月，作為固定成員參加湖南衛視青春伙伴自助遠行真人秀節目《花兒與少年第三季》；5月18日，再次受邀參加法國戛納電影節并亮相電影《每分鐘120擊》的首映紅毯；9月9日，受邀出席第15屆芭莎明星慈善夜并捐出愛心車隊 ；10月底，確定出演劉若英導演處女作《后來的我們》；11月23日，獲得網易年度態度大賞年度有態度最具實力男演員獎 ；12月19日，確定出演根據同名漫畫改編的民國傳奇劇《南煙齋筆錄》，并在劇中飾演心思細膩、重情重義的男主角葉申。
2018年3月14日，劉若英導演處女作《后來的我們》發布“學會去愛”我們版系列海報，井柏然形象首次曝光，該片于4月28日全國上映；12月22日，與何炅、周冬雨一起參加愛奇藝出品的年輕演員品訓類節目《演員的品格》，并擔任演值團學長。
2019年，與吳京、章子怡、張譯、胡歌、成龍合作出演珠峰題材電影《攀登者》；4月4日，由婁燁執導的犯罪懸疑電影《風中有朵雨做的云》正式上映，在片中擔綱男主角，飾演負責調查唐奕杰墜樓案的年輕警官楊家棟，該片拍攝于2016年，并參與演出了主題曲《一場游戲一場夢》；5月4日，其參加的《我們都是追夢人—— “五月的鮮花”全國大中學生文藝會演》在CCTV-1播出，與楊紫合唱了歌曲《小夢想大夢想》；6月21日，其配音的動畫電影《千與千尋》在中國內地上映，在片中擔任了男主角白龍的中文配音工作；9月，以嘉賓的身份參加了《明星大偵探第五季》的錄制。10月24日，加盟的《明星大偵探第五季》公布定檔11月8日。
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