2002年，出演首部電視劇《刑警的故事》從而正式進(jìn)入演藝圈。

2003年，在都市情感劇《居家男人》中飾演大李一角。

2004年，在李少紅執(zhí)導(dǎo)的電影《人在北京》中擔(dān)綱男一號(hào) ；同年，與黃渤、陶澤如、孫松、馬少華、高秀敏聯(lián)袂出演都市勵(lì)志劇《生存之民工》，在劇中飾演性情冷僻極具正義感的民工楊志剛 。

2005年，出演陳坤、郭羨妮、劉松仁、馬德鐘主演的古裝劇《爭(zhēng)霸傳奇》，在劇中飾演封伍。

2006年，在都市情感劇《誰(shuí)與爭(zhēng)鋒》中飾演盧軍；同年，在電影《一座城市和兩個(gè)女孩》擔(dān)綱男一號(hào)”阿青“。

2007年，主演改編自英國(guó)文學(xué)《呼嘯山莊》的民國(guó)情感劇《明日已太遠(yuǎn)》，在劇中飾演男一號(hào)衛(wèi)天熙 ；同年，在刑偵懸疑劇《水中花》中飾演王志強(qiáng)。

2008年，與丁勇岱、徐雅祺、王姬主演都市情感劇《愛的方式》，在劇中飾演少霞的戀人李瀟 ；在孫紅雷主演的諜戰(zhàn)劇《潛伏》中飾演瀟灑而儒雅的軍人廖三民 。

2009年，和黃渤主演電影《蛋炒飯》;同年主演由張海迪編劇的電影《我的少女時(shí)代》。勵(lì)志劇《亂世玉緣》中飾演出身卑微但卻心懷坦蕩的奴仆梁忠 ；同年，在懸疑偵探劇《大偵探》中擔(dān)綱男主角 。

2010年，和邵兵 張恒主演29集國(guó)際密戰(zhàn)傳奇劇《馬迭爾旅館的槍聲》，在劇中飾演大反角——叛徒江彬 ；同年和閆妮 耿樂主演由管虎執(zhí)導(dǎo)的抗日劇《女子軍魂》中飾演軍需處處長(zhǎng)涂紅旗一角 。

2011年，與由高虎、寧?kù)o聯(lián)袂主演近代劇《四川往事之有多少愛可以重來》，在劇中飾演四川一戶鹽井巨商的養(yǎng)子孟天慕 ；同年，在長(zhǎng)篇?dú)v史連續(xù)劇《大秦帝國(guó)之崛起》中飾演戰(zhàn)國(guó)奇人蘇秦一角 。

2012年，與金莎、蘇青、劉子豪主演近代情感劇《那是一個(gè)春天》，在劇中飾演男主角李創(chuàng) 。

2013年，主演的電視劇《生存之民工》在時(shí)隔八年后更名為《春天里》并上星在山東衛(wèi)視首播 。

2014年，主演電影《荒村怨靈》，飾演主人公 吳振堂。

2015年，11月和胡歌孫紅雷張嘉譯加盟姜偉執(zhí)導(dǎo)的職場(chǎng)商戰(zhàn)劇《獵場(chǎng)》；同年驚悚電影《荒村怨靈》12月11日上映，王小毅飾演主人公吳振堂 。

2016年，憑借主演電影《野長(zhǎng)城》，獲得美國(guó)舊金山國(guó)際新概念電影節(jié)最佳男主角獎(jiǎng) ；同年自編自導(dǎo)自演電影《五天六夜》拍攝中。

2017年，主演由顧偉導(dǎo)演的電影《二月泉》。

2018年3月搭檔李易峰主演由王偉導(dǎo)演的電視劇《隱秘而偉大》 ，同年9月在由歐陽(yáng)奮強(qiáng)監(jiān)制、梅子導(dǎo)演的電影《情圣曹雪芹》中飾演曹雪芹 。

2014年寧?kù)o參加娛樂訪談?lì)惞?jié)目《超級(jí)訪問》，并在節(jié)目中承認(rèn)與王小毅之間的姐弟戀。

王小毅雖然只參演了少數(shù)的電影，但演技卻是出類拔萃。 （鳳凰網(wǎng)評(píng)）憑借在《潛伏》中僅僅4集的戲份得到了觀眾的廣泛喜愛和認(rèn)可，并被網(wǎng)友稱為“《潛伏》頭號(hào)帥哥”。 （網(wǎng)易評(píng)）王小毅影視作品碩果累累，其跨度也從共產(chǎn)黨、民工到叛徒、書生等，塑造出一些列鮮活多變的人物形象。 （搜狐評(píng)）