2000年，出演首部農村題材作品《莊稼院里的年輕人》，飾常友。2001年，搭檔申軍誼，韓青拍攝了懸疑刑偵劇《緊急追捕》。
2003年8月，與趙文卓、賈靜雯共同出演古裝劇《神醫俠侶》，飾項云。
2004年4月，與何潤東、高圓圓、歸亞蕾共同主演了唐太宗李世民青年時期的《秦王李世民》，飾劉文靜；7月，拍攝了反映清朝第一詞人納蘭容若一生極富戲劇色彩情感經歷的《煙花三月》，飾康熙。
2005年5月，在蘇有朋、張娜拉主演的古裝輕喜劇《刁蠻公主》中飾白云飛；10月，拍攝了根據《唐書》、反映唐太宗貞觀之治編劇的歷史劇《貞觀之治》，飾唐太宗李世民的長子李承乾。
2006年3月，搭檔于和偉、許晴拍攝商業題材作品《局中局》，飾雜志攝影記者簡華。
2007年6月，拍攝了首部電影《東方大港》，飾陳泓；9月，與范冰冰、孔維共同主演賀歲電影《命運呼叫轉移》，飾躍東 ；10月，搭檔徐崢、劉儀偉、范冰冰主演賀歲電影《愛情呼叫轉移》，飾老張。
2008年5月，與涓子、奚美娟共同主演根據池莉小說《所以》改編的電視劇《愛有多遠》，飾關淳；5月7日，在左小青、陶虹主演的女性題材輕喜劇《好孕來臨》中飾劉云華；10月，與劉孜、曾黎共同主演抗戰題材作品《花籃花兒香》，飾男主角周云彪。
2009年6月，客串了劉儀偉獨立執導的第一部電影《火星寶貝之火星沒事》，飾醫生。
2010年6月，與文章、白百何、張靜初共同主演都市情感劇《萬有引力》，飾風雷。；8月，在反映七十年代工人工作、生活的浪漫主義色彩的電視劇《師傅》中飾謝思雨；同年，與趙立新、焦俊艷共同主演紅色年代諜戰戲《永不消逝的電波》，飾反派趙子岐。
2011年6月，主演了根據作家許開禎小說《涼州往事》改編而成的《光榮大地》，飾機靈圓滑栓伍子9月，與張恒共同主演國際密戰劇《馬迭爾旅館的槍聲》，飾滿洲之狐高恒書；12月，與丁志誠、鄒涵虹等主演年度諜戰戲《神槍手》，飾冷酷殺手宮十一。
2012年2月，與李幼斌、史蘭芽、隋俊波共同主演賀歲家庭輕喜劇《老嚴有女不愁嫁》，飾先鋒藝術潮人葛大碼；5月，和高云翔、張鐵林、呂夏一起主演抗日劇《刀影》，飾上海灘第一殺手杜善起；隨后，加盟了由周渝民、王學圻、張鈞甯共同主演的長篇抗戰劇《彼岸1945》，飾國民黨士兵童山。
2013年6月，在曾麗珍執導的都市情感勵志劇《戀戀不忘》，飾厲氏集團特別助理林建東。
2014年3月，客串了劉德華領銜主演的內地首部“打拐”題材電影《失孤》，飾城管。
2015年，呂行時隔8年與舅舅葛優共同出演電影《羅曼蒂克消亡史》。在抗戰大戲《政委》中飾演鐵骨英雄宋云杰。
2017年12月21日晚，憑借在電影《羅曼蒂克消亡史》中的精彩演出奪得第九屆澳門國際電影節最佳新人。
2020年2月21日，主演的懸疑古裝言情探案劇《兩世歡》開播。
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