2007年，与罗德元、李晨、郑罗茜合作主演剧情电影《地下的天空》，在片中饰演矿工丁井生，从而正式进入演艺圈；同年，参加北京电视台《红楼梦中人》演员选秀活动，获得宝玉组五强，并进入李少红版《红楼梦》的剧组。

2008年，出演李少红执导的古装情感剧《红楼梦》，在剧中饰演邢岫烟的丈夫、薛宝琴的哥哥薛蝌。

2009年，出演刘烨、高圆圆、李小冉主演的爱情电影《无人驾驶》，在片中饰演总是开车带着不同女人的代驾男孩里加；随后，签约北京千易时代文化传媒有限公司，成为旗下签约艺人；同年，与郑宇成、高圆圆、谭维维合作主演都市情感电影《成都，我爱你》。

2010年，与陈乔恩、黄晓明、曾志伟合作主演青春校园爱情电影《激浪青春》，在片中饰演阳光帅气且有些叛逆的大学龙舟队主力赵家丰；同年，出演刘烨、陈坤、张嘉译主演的革命电影《建党伟业》，在片中饰演中国共产党早期领导人刘仁静。

2011年，与杜雨露、孙兴、周扬合作主演谍战剧《黎明前的暗战》，在剧中饰演代号“坚冰”的地下党员肖天济；同年，主演姜凯阳执导的都市情感剧《你是我的幸福》，在剧中饰演男主角严芒的小儿子严小磊，与李建义饰演一对父子；此外，他还获得了“春季电视剧互联网盛典”最佳男新人奖。

2012年，与苏青、朱刚日尧、李璟合作主演革命剧《铁血男儿夏明翰》，在剧中饰演学生组织“砂子会”成员孙越泽；7月6日，其主演的惊悚悬疑电影《青魇》上映，而他在片中则饰演由于20前的心理阴影而夜不能寐且长期失眠的男主角郝冬。

2013年，出演关心、刘迦密执导的微电影《安大略合约》，在片中饰演留学归国的男主角潘小帅；7月27日，其主演的都市情感励志剧《棋逢对手》在河北卫视、厦门卫视首播，而他在剧中则饰演了性格放荡不羁、爱骑哈雷摩托车游走各处的男主角郑墨，并为该剧演唱了主题曲《不要了》 ；同年，与周迅、朱亚文、秦海璐合作主演年代传奇剧《红高粱》，在剧中饰演女主角九儿青梅竹马的初恋张俊杰。

2014年10月1日，其主演的剧情电影《黄金时代》上映，而他在片中则饰演了民国作家骆宾基；10月17日，其主演的剧情电影《蓝色骨头》上映；11月28日，其主演的剧情电影《推拿》上映，而他在片中则饰演了推拿中心的盲人推拿师小马，这是他首次在影视作品尝试盲人的角色；12月，获得“国剧盛典”年度飞跃男演员奖。

2015年，作为野生动物实习饲养员参加了湖南卫视原创动物真人秀节目《奇妙的朋友》的录制；6月，担任“上海国际电影节”亚洲新人奖的评委；7月，入围第17届华鼎奖中国百强电视剧最佳男配角奖、中国百强电视剧最佳新锐奖；9月，成为男性时尚杂志《智族GQ》金九刊暨六周年刊的封面人物；9月16日，获得“GQ年度盛典”年度突破艺人奖；8月20日，其主演的爱情电影《恋爱中的城市》上映，而他在片中则饰演了第三单元“巴黎篇”的男主角刘畅；同年，与孙俪、方中信、黄轩、高云翔合作主演古装传奇剧《芈月传》，在剧中一人分饰二角，分别饰演了芈月的初恋情人春申君黄歇、芈月的男宠魏丑夫，该剧在全网的总播放量突破了200亿；此外，他还获得了“第10届华语青年影像论坛”新锐男演员奖。

2016年2月13日，其主演的古装传奇剧《女医·明妃传》在江苏卫视、东方卫视播出，而他在剧中则饰演了明朝第七位皇帝明代宗朱祁钰；3月21日，其主演的民国探案喜剧《猎人》在北京卫视播出，而他在剧中则饰演了为了破案什么都敢做的男主角耶律麒；5月24日，其主演的职场情感剧《亲爱的翻译官》，而他在剧中则饰演了冷静干练、又带点忧郁气质的男主角程家阳，这也是他首次在影视作品尝试翻译官的角色，该剧不仅获得了全国电视剧年度收视冠军，而且平均收视率也都破2；6月25日，受邀出席“巴黎时装周-Dior Homme2017年春夏时装秀”；10月30日，凭 借电视剧《女医·明妃传》获得“第三届文荣奖”最佳男主角奖；12月16日，其主演的奇幻动作电影《长城》上映；此外，他还获得了“2017爱奇艺尖叫之夜”年度最佳电视剧演员奖。

2017年1月，获得“国剧盛典”年度实力演员奖；3月，被聘任为了中国电视艺术家协会演员工作委员会常务理事；3月2日，获得“中国电视剧品质盛典”年度最受喜爱的品质剧星奖；3月31日，其主演的警匪动作电影《非凡任务》上映，而他在片中则饰演了缉毒警察林凯，该片在上映第五天票房便突破了一亿元人民币；6月18日，获得“微博电影之夜”微博突破表现演员奖；6月22日，凭借电影《非凡任务》获得“第20届上海国际电影节-成龙动作电影周”最佳动作新人奖；11月22日，获得第14届MAHB年度先生盛典年度最受欢迎艺人奖；12月8日，获得“商业星力量巅峰人物年度盛典”年度吸引力明星奖；12月15日，黄轩主演冯小刚导演的电影《芳华》上映两周票房突破十亿人民币 ，他在片中饰演文工团“活雷锋刘峰，他则凭借该片获得第9届中国电影导演协会年度男演员奖的提名；12月22日，其主演的古装电影《妖猫传》上映，在片中饰演性格桀骜不羁的诗人白乐天，该片最终累计票房突破五亿人民币。

2018年9月，获得第6届“十大华语电影”年度男演员奖；10月11日，黄轩出席了百度为其“私人订制”的2018百度娱乐人物黄轩专场颁奖礼活动，并获颁百度娱乐年度人物奖；10月12日，与Angelababy领衔主演的都市情感创业剧《创业时代》首播，在剧中饰演从万千创业者中脱颖而出的男主角郭鑫年，该剧上线19日网播量累计突破30亿。

2019年3月，黄轩获得“2019电视剧品质盛典”年度观众喜爱品质剧星奖；5月，主演反特动作剧《瞄准》，在剧中饰演男主角苏文谦；6月29日，与杨采钰领衔主演的剧情电影《只有芸知道》在新西兰杀青，黄轩在片中饰演男主角东风；9月8日，黄轩获得第十七届电影表演艺术学会奖颁发的“学会奖”。10月24日，主演电影《乌海》；10月，入围第六届“中国电视好演员”绿组男演员候选名单。