2004年，與董潔、辛柏青、朱曉漁合作主演民國情感劇《早春二月》，在劇中飾演于偉強，這是他的首部電視劇，從而正式進入演藝圈。
2005年，與王茜、劉鈞、王挺合作主演醫療劇《無限生機》，在劇中飾演女主角蘇虹的徒弟裴森，這是他第一次飾演醫生 ??；同年，與杜淳、秋瓷炫、崔林合作主演古裝武俠劇《大旗英雄傳》，在劇中飾演雷鞭的兒子雷小雕，與賈石頭飾演一對父子 ??。
2006年，與朱孝天、胡靜、秋瓷炫合作主演古裝武俠劇《楚留香傳奇》，在劇中飾演英俊挺拔但心機頗深的擁翠山莊少主李玉函 ??。
2007年，與杜淳、王鵬凱、阿斯茹合作主演諜戰劇《敵營十八年》，在劇中飾演曾經綸的兒子曾兆君，與舒耀宣飾演一對父子；同年，與王茜、陸玲、錢勇夫合作主演家庭倫理劇《訴訟風暴》（又名《婚姻訴訟》），在劇中飾演可愛的毛頭小子高放 ??。
2010年，與楊冪、馮紹峰、何晟銘合作主演清宮穿越劇《宮鎖心玉》，在劇中飾演重情重義的十三阿哥愛新覺羅·胤祥 ??。
2011年，與林好、張益群、劉沙合作主演刑偵懸疑劇《證據》，在劇飾演身為刑警隊長的男主角朗星。
2012年，入圍“華鼎獎”最佳新銳男演員獎 ??；同年，與鮑國安、馬曉偉、呂曉禾合作主演古裝電影《毛遂自薦》，在片中飾演男主角毛遂 ??。
2013年，與王茜、王挺、劉德凱合作主演現代醫療劇《急診室故事》，在劇中飾演外表英俊時而呆萌的急診科住院醫師姜浩然 ??。
2014年，與楊冪、李易峰、喬振宇合作主演古裝玄幻劇《古劍奇譚》，在劇中飾演胡渣邋遢的耍寶大叔向天笑，這是他繼《宮鎖心玉》后再度與楊冪合作 ??。
2015年，與劉歡、葉璇、王珂合作主演抗戰劇《搜索連》，在劇中飾演見習排長高雷 ??；同年，與王珂、黑子、孫錫堃合作主演女性勵志劇《我叫苗金花》，在劇中飾演帥氣紳士的暖男楊帆 ??；同年，出演呂小龍執導的電影《鐵血英雄楊靖宇》（原名《民族魂·楊靖宇》），在片中飾演男主角楊靖宇將軍 ??。
2016年1月，其主演的電影《三伏天》入圍“第66屆柏林國際電影節”電影大觀單元及全景競賽，田牧宸在片中飾演雙性戀的男主角白龍 ??；同年，與楊蓉、白宇、何奉天合作主演犯罪懸疑網絡劇《美人為餡》，在劇中飾演冷酷的變態殺手羅斌 ??；同年11月，憑借電影《鐵血英雄楊靖宇》獲得“第12屆中美電影節頒獎典禮”最佳新晉男演員獎 ??；隨后，又憑借電影《鐵血英雄楊靖宇》獲得“第14屆國際軍事電影節”最佳男主角獎 ??。
2021年4月28日，田牧宸主演的電視劇《腦海深處》播出 ??；4月29日，在播出的電視劇《御賜小仵作》中飾演蕭恒 ??。
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