王彦霖2011年6月,王彦霖还在上海戏剧学院读大三时,便被导演陈铭章看中,与言承旭,翁虹等演员合作出演了个人首部影视作品,在爱情偶像剧《我的灿烂人生》中饰演郑棋。2013年,参演由高以翔,焦俊艳主演的治愈系言情剧《遇见王沥川》,饰演女主角谢小秋的弟弟谢小冬,一个诚实懂事,总是维护支持姐姐的大男孩。2014年7月,参演由胡歌,江疏影主演的青春励志剧《旋风十一人》,饰演崇越。8月,参演由陆毅,蒋劲夫,陈妍希主演的古装武侠剧《秦时明月》,饰演以轻功见长,有无人能敌速度的墨家统领之一东郭植,对女主角端木蓉展开追求。2015年1月,参演由唐嫣,刘恺威主演的民国偶像爱情剧《千金女贼》,饰演的白氏企业的二当家“石头”是个重情重义,爱憎分明的角色,辅佐男主角经营家族事业,与妄图侵占上海的日本人斗智斗勇。7月参演由韩东君,金晨,张若昀主演的民国玄幻季播网络剧《无心法师》,饰演亦正亦邪,让人难以捉摸的文县司令”顾大人“顾玄武。同年参演由陈铭章执导,陈晓,周冬雨主演的都市爱情剧《遇见爱情的利先生》,饰演裴家齐一角。12月中旬参演由陈铭章执导,王丽坤,朱亚文,叶青等主演的都市职场爱情剧《漂洋过海来看你》。2016年4月1日由陈国富监制,杨庆编剧及导演,陈坤,白百何,秦昊,喻恩泰联袂主演的电影《火锅英雄》上映,在电影《火锅英雄》中王彦霖首次出演反派角色,王彦霖化身为匪徒老大唐僧带领劫匪四人组成为了亮点,和陈坤饰演的刘波进行最后的抗衡带动剧情的起伏。2016年4月,主演由著名作家桐华小说改编的同名电视剧《那片星空那片海》。5月主演由吴锦源执导的《楚乔传》,饰演宇文世家的大少爷——宇文怀；7月,主演民国玄幻网络剧《无心法师2》。2017年1月,由其主演的《继承者计划》正式杀青,该剧讲述的是王彦霖饰演的双面卧底,在异国上演的一场惊心动魄的经历；5月,主演校园青春题材电影《毕业进行时》。2018年9月,参加合宿生活观察类真人秀《Hi室友》,并与另外7位嘉宾共同演唱了同名主题曲《Hi室友》；同年,主演的电视剧《继承者计划》上映；参演电影《红海行动》。2019年2月,加盟浙江卫视《奔跑吧》担任MC；2019年11月,王彦霖参演的综艺《小小的追球》上线,节目中,王彦霖成功完成了减少碳排放挑战任务,获得了由驻冰岛大使金智健和冰促进局颁发的“冰岛环保旅行大使”称号。2020年7月,参与腾讯视频关注认知障碍公益节目《忘不了餐厅第二季》,担任副店长；7月31日,加盟湖南卫视的全明星竞技类实景游戏真人秀《元气满满的哥哥》；10月27日,加盟腾讯视频综艺《平行时空遇见你》；2020年12月4日,友情出演电影《如果声音不记得》；12月18日,与彭于晏,辛芷蕾合作主演的电影《紧急救援》上映,在片中饰演交通海上应急反应特勤队绞车手赵呈。2021年3月,领衔主演由刘工乙执导的悬疑喜剧片《玩火》；5月5日,加盟综艺《怦然心动20岁》；6月,领衔主演轻喜剧《点心之路》,在剧中饰演天才大厨何弦；7月16日,搭档程小蒙主演的都市爱情青春励志喜剧《燃烧吧！废柴》开播,在剧中饰演死要面子爱做电影梦的客栈CEO方天逸；7月26日,领衔主演的都市爱情剧《你是我的荣耀》播出；9月19日,出演的电影《日常幻想指南》上映；12月28日,以“半熟观察员”参加的轻熟龄恋爱观察真人秀《半熟恋人》播出；参演电视剧《雪中悍刀行》。2022年2月1日,参演韩寒执导的电影《四海》上映；2月25日,参加的冬日趣玩娱雪综艺《超有趣滑雪大会》播出第七期；4月12日,加盟旅行综艺《新游记》；8月,主演由十一月执导,韩寒监制的网络剧《飞驰人生》。2023年1月30日,网剧《飞驰人生》全阵容官宣：王彦霖领衔主演；2023年4月8日,主演由正午阳光出品的电视剧《艰难的制造》宣布开机；5月11日,入选《漂亮的战斗》飞行嘉宾官宣阵容；5月25日,出演的电视剧《熟年》播出；6月,参加综艺节目《是好朋友的周末》；6月23日,参加的综艺节目《是好朋友的周末》在优酷播出；7月5日,领衔主演由李木戈执导的电视剧《我的人间烟火》播出。王彦霖《点心之路》王彦霖《新游记》王彦霖《超有趣滑雪大会》王彦霖《紧急救援》王彦霖《如果声音不记得》王彦霖《平行时空遇见你》王彦霖星辰大海电影频道青年演员优选计划王彦霖《你是我的荣耀》王彦霖《雪中悍刀行》王彦霖《楚乔传》王彦霖《无心法师》王彦霖《火锅英雄》王彦霖《秦时明月》王彦霖《那片星空那片海》王彦霖《漂洋过海来看你》
2021年3月,王彦霖被拍到与一名女生一同聚餐,两人喝同一杯饮料,摸脸牵手,晚上吃过饭后,王彦霖搂着女生的腰离开,疑似恋情曝光。而该女生疑似是王彦霖的表演系同学艾佳妮。3月2日,王彦霖微博晒与艾佳妮的毕业合照,承认两人的恋情。他写道：“刻在我心里的名字,错过了一阵子,不能错过了一辈子。”2021年5月20日,王彦霖宣布和女友艾佳妮领证结婚,并晒出结婚证和一组甜蜜合照；7月17日,二人举行了婚礼。2022年4月10日,王彦霖宣布其孩子出生。
在《小小的追球》毕业典礼上追球团王彦霖等嘉宾因为采集生物样本,关注生态环境多样性,获得了中国绿发会宣传大使的称号,这是一份荣誉,更是一份责任,他们要广泛动员全社会关心和支持生物多样性保护和绿色发展事业。2021年7月,王彦霖为河南暴雨灾情捐款100万元。