1994年，與寧靜、邵兵合作參演霍建起獨(dú)立執(zhí)導(dǎo)的電影處女作《
贏家》，在片中扮演一個(gè)失去胳膊卻又自強(qiáng)不息的青年。該片獲1995年第1屆奮發(fā)文明進(jìn)步優(yōu)秀作品獎(jiǎng)、1996年第6屆上海影評(píng)人獎(jiǎng)十佳影片和第2屆中國電影華表獎(jiǎng)優(yōu)秀故事片獎(jiǎng)、1997年第5屆五個(gè)一工程獎(jiǎng)優(yōu)秀故事片獎(jiǎng)。
1995年，參演吳若甫、王強(qiáng)主演的軍旅題材電影《征服死亡地帶》。
1997年，出演陳凱歌執(zhí)導(dǎo)，鞏俐、張豐毅主演歷史片《荊軻刺秦》飾演趙使。同年參演孫周執(zhí)導(dǎo)的電影《
漂亮媽媽》，和鞏俐合作。還參演了滕文驥執(zhí)導(dǎo)，張國立、劉孜主演的懸疑探案劇《危情時(shí)刻》，在劇中飾演劉衛(wèi)衛(wèi)。同年與王強(qiáng)合演張漢杰執(zhí)導(dǎo)的電視劇《
老三屆》。
1998年，出演丁黑執(zhí)導(dǎo)涓子、廖凡、辛柏青主演的現(xiàn)代都市劇《致命邂逅》。同年與舒淇、吳辰君主演葉鴻偉執(zhí)導(dǎo)抗戰(zhàn)片《
山頂上的鐘聲》。主演楊亞洲執(zhí)導(dǎo)電視電影《婚前別戀》。
1999年，再次參演楊亞洲執(zhí)導(dǎo)，陳征、梁丹妮主演電視電影《大戲小戲》。同年與莫文蔚、姜武主演電影《
走到底》。同年與盧芳主演陳剛執(zhí)導(dǎo)的兒童題材電影《歡樂公主》。
1999年，參演陳建斌、丁嘉麗主演的情感劇《有愛的日子》。
2000年，出演顥然執(zhí)導(dǎo)，劉琳、周逵、郭柯宇主演的電視劇《
最愛》。同年出演高群書執(zhí)導(dǎo)的《
命案十三宗》續(xù)集電視劇《
真相》。
2001年，參演邵方執(zhí)導(dǎo)，范冰冰、劉紅雨、郝戎主演的都市生活劇《中關(guān)村風(fēng)云》。同年在陶紅、姜武主演的家庭情感劇《空鏡子》中飾演一個(gè)女性化的男人。
2002年，在劉欣、邵峰主演，改編自張愛玲同名小說的家族大戲《金鎖記》中飾陸薦云。
2003年，在朱媛媛、倪萍主演的都市情感生活愛情倫理劇《浪漫的事》中飾演陳昊。同年在馬戎導(dǎo)演的《老威的X計(jì)劃》中飾演史洪濤，與劉威、林潔合作。
2004年，與辛柏青、柳云龍、陳剛主演警匪劇《零距離》，在劇中飾演王建東。同年與林依輪、海青共同主演愛情輕喜劇《男人女人向前走》。參演曹翠芬、劉威主演的大型中國式婚姻愛情悲喜劇《追趕我可能丟了的愛情》飾魏勁戈。
2005年，與高明、史蘭芽主演電視劇《中國脊梁》。同年與海青、趙毅主演家庭情感劇《不能失去你》。在《中國式結(jié)婚》中客串李駿。在朱媛媛、李幼斌主演解放戰(zhàn)爭劇《紅色追擊令》中飾演羅江。
2006年，在于震、王麗坤、淳于珊珊主演的《
五號(hào)特工組》中飾演汪偽特務(wù)機(jī)構(gòu)“76號(hào)”頭目齊冠雄。同年在姜武主演青春偶像劇《開盤》中飾演商界精英。
2007年，主演編劇龐一川關(guān)中系列劇封筆之作《關(guān)中男人》，在劇中飾演極具傳奇色彩的關(guān)中男人王長安。
2008年，與范偉、居文沛主演當(dāng)代都市喜劇電影《
即日啟程》。與郭曉冬、潘雨辰主演都市情感劇《親愛的敵人》。與閆妮、張譯主演家庭倫理劇《
三七撞上二十一》。在高虎、黃俊鵬、呂一主演首部盜墓題材片《國家寶藏之覲天寶匣》，在劇中扮演足智多謀大偵探蕭劍南。
2009年，與吳越、常玉紅主演文藝影片《老丁的春天》。在國內(nèi)首部反映刑釋人員回歸社會(huì)的現(xiàn)實(shí)題材電視劇《
永不回頭》中客串張輝。在陳小藝、許亞軍、胡可主演的《復(fù)婚》中飾演有些感情糾結(jié)的醫(yī)生薛四平。
2010年，憑借與秦海璐主演的電影《
鋼的琴》獲得第23屆東京國際電影節(jié)最佳男主角獎(jiǎng)，是近10年唯一華語影帝。并憑此片提名第48屆臺(tái)灣電影金馬獎(jiǎng)最佳男演員和第28屆金雞獎(jiǎng)最佳男演員。
2011年5月30日，擔(dān)綱俄羅斯電影展的推廣大使。2011年10月27日晚，第七屆中美電影節(jié)在洛杉磯盛大開幕，王千源憑借《鋼的琴》獲得“金天使”最佳男演員獎(jiǎng)。獲得第14屆上海國際電影節(jié)之第08屆電影頻道傳媒大獎(jiǎng)最佳男主角。同年與姜華、楊雨婷主演抗日劇《
地道戰(zhàn)》飾演高傳寶。與郭曉冬、郭曉峰主演懸疑諜戰(zhàn)劇《我是真的》飾演假桑義州。在陶虹主演的《買房夫妻》中飾演西裝男蘭貴成。
2012年，與連奕名、劉琳主演年代軍旅戲《五湖四?！凤椦菸壕傲?。同年與朱雨辰、白百合、車曉合演偶像劇《說謊的愛人》，在劇中飾演牙醫(yī)宋彤。在為解放西藏60周年特制的獻(xiàn)禮劇《英雄
先遣連》中飾演人民英雄李狄三。
2013年，在鄭曉龍執(zhí)導(dǎo)，黃海波、陳好、呂麗萍主演的喜劇《新編輯部故事》飾演劉向前。同年與王挺、王力可主演戰(zhàn)爭傳奇劇《
異鎮(zhèn)》飾演李從文。同年獲得MSN時(shí)尚影響力大典最受歡迎男演員獎(jiǎng)。
2014年，出演吳宇森導(dǎo)演的戰(zhàn)爭題材災(zāi)難大片《太平輪》，參演許鞍華執(zhí)導(dǎo)的《
黃金時(shí)代》。與張一山、劉濤、于小偉主演都市備孕輕喜劇《
食來孕轉(zhuǎn)》飾演沈立東。與陳寶國、杜志國主演刑偵劇《
湄公河大案》飾演高野。
2015年，與劉詩詩主演劉江導(dǎo)演的諜戰(zhàn)劇《
黎明決戰(zhàn)》。8月，由夏鋼執(zhí)導(dǎo)，余男、王千源、南宮民等主演的懸疑愛情電影品質(zhì)之作《月色撩人》在廣東東莞緊張熱拍。
