2011年6月，王彥霖還在上海戲劇學院讀大三時，便被導演陳銘章看中，與言承旭、翁虹等演員合作出演了個人首部影視作品，在愛情 偶像劇《我的燦爛人生》中飾演鄭棋。
2013年，參演由高以翔、焦俊艷主演的治愈系言情劇《遇見王瀝川》，飾演女主角謝小秋的弟弟謝小冬，一個誠實懂事，總是維護支持姐姐的大男孩。
2014年7月，參演由胡歌、江疏影主演的青春勵志劇《旋風十一人》，飾演崇越。8月，參演由陸毅、蔣勁夫、陳妍希主演的古裝武俠劇《秦時明月》，飾演以輕功見長，有無人能敵速度的墨家統領之一東郭植（盜跖），對女主角端木蓉展開追求。
2015年1月，參演由唐嫣、劉愷威主演的民國偶像愛情劇《千金女賊》，飾演的白氏企業的二當家“石頭”是個重情重義、愛憎分明的角色，輔佐男主角經營家族事業，與妄圖侵占上海的日本人斗智斗勇。7月參演由韓東君、金晨、張若昀主演的民國玄幻季播網絡劇《無心法師》，飾演亦正亦邪、讓人難以捉摸的文縣司令”顧大人“顧玄武。同年參演由陳銘章執導，陳曉、周冬雨主演的都市愛情劇《遇見愛情的利先生》，飾演裴家齊一角。12月中旬參演由陳銘章執導，王麗坤、朱亞文、葉青等主演的都市職場愛情劇《漂洋過海來看你》。
2016年4月1日由陳國富監制，楊慶編劇及導演，陳坤、白百何、秦昊、喻恩泰聯袂主演的電影《火鍋英雄》上映，在電影《火鍋英雄》中王彥霖首次出演反派角色，王彥霖化身為匪徒老大唐僧帶領劫匪四人組成為了亮點，和陳坤飾演的劉波進行最后的抗衡帶動劇情的起伏。
2016年4月，主演由著名作家桐華小說改編的同名電視劇《那片星空那片海》。5月主演由吳錦源執導的《楚喬傳》，飾演宇文世家的大少爺——宇文懷。7月，主演民國玄幻網絡劇《無心法師2》。
2017年1月，由其主演的《繼承者計劃》正式殺青，該劇講述的是王彥霖飾演的雙面臥底，在異國上演的一場驚心動魄的經歷。 5月，主演校園青春題材電影《畢業進行時》。
2018年9月，參加合宿生活觀察類真人秀《Hi室友》，并與另外7位嘉賓共同演唱了同名主題曲《Hi室友》。
2019年2月，加盟浙江衛視《奔跑吧》擔任MC。2020年1月25日，與彭于晏、辛芷蕾合作主演的電影《緊急救援》定檔于大年初一上映。
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