2000年,出演首部农村题材作品《庄稼院里的年轻人》,饰常友。2001年,搭档申军谊,韩青拍摄了悬疑刑侦剧《紧急追捕》。吕行电视剧剧照2003年8月,与赵文卓,贾静雯共同出演古装剧《神医侠侣》,饰项云。2004年4月,与何润东,高圆圆,归亚蕾共同主演了唐太宗李世民青年时期的电视剧《秦王李世民》,饰刘文静；7月,拍摄了反映清朝第一词人纳兰容若一生极富戏剧色彩情感经历的电视剧《烟花三月》,饰康熙。2005年5月,在苏有朋,张娜拉主演的古装轻喜剧《刁蛮公主》中饰白云飞；10月,拍摄了根据《唐书》,反映唐太宗贞观之治编剧的历史剧《贞观之治》,饰唐太宗李世民的长子李承乾。2006年3月,搭档于和伟,许晴拍摄商业题材作品《局中局》,饰杂志摄影记者简华。2007年6月,拍摄了首部电影《东方大港》,饰陈泓；9月,与范冰冰,孔维共同主演贺岁电影《命运呼叫转移》,饰跃东；10月,搭档徐峥,刘仪伟,范冰冰主演贺岁电影《爱情呼叫转移》,饰老张。2008年5月,与涓子,奚美娟共同主演根据池莉小说《所以》改编的电视剧《爱有多远》,饰关淳；5月7日,在左小青,陶虹主演的女性题材轻喜剧《好孕来临》中饰刘云华；10月,与刘孜,曾黎共同主演抗战题材作品《花篮花儿香》,饰男主角周云彪。2009年6月,客串了刘仪伟独立执导的第一部电影《火星宝贝之火星没事》,饰医生。吕行的生活照和艺术照2010年6月,与文章,白百何,张静初共同主演都市情感剧《万有引力》,饰风雷；8月,在反映七十年代工人工作,生活的浪漫主义色彩的电视剧《师傅》中饰谢思雨；同年,与赵立新,焦俊艳共同主演红色年代谍战戏《永不消逝的电波》,饰反派赵子岐。2011年6月,主演了根据作家许开祯小说《凉州往事》改编而成的《光荣大地》,饰机灵圆滑栓伍子；9月,与张恒共同主演国际密战剧《马迭尔旅馆的枪声》,饰满洲之狐高恒书；12月,与丁志诚,邹涵虹等主演年度谍战戏《神枪手》,饰冷酷杀手宫十一。2012年2月,与李幼斌,史兰芽,隋俊波共同主演贺岁家庭轻喜剧《老严有女不愁嫁》,饰先锋艺术潮人葛大码；5月,和高云翔,张铁林,吕夏一起主演抗日剧《刀影》,饰上海滩第一杀手杜善起；随后,加盟了由周渝民,王学圻,张钧甯共同主演的长篇抗战剧《彼岸1945》,饰国民党士兵童山。2013年6月,在曾丽珍执导的都市情感励志剧《恋恋不忘》,饰厉氏集团特别助理林建东。2014年3月,客串了刘德华领衔主演的内地首部“打拐”题材电影《失孤》,饰城管。2015年,参演电影《万物生长》；同年,吕行时隔8年与舅舅葛优共同出演电影《罗曼蒂克消亡史》。在抗战大戏《政委》中饰演铁骨英雄宋云杰。2017年12月21日晚,凭借在电影《罗曼蒂克消亡史》中的精彩演出夺得第九届澳门国际电影节最佳新人。2018年12月29日,参演的喜剧片《断片之险途夺宝》上映。2019年2月14日,参演的电视剧《东宫》播出,剧中饰演高显；9月20日,参演的电影《决胜时刻》上映。2020年2月21日,主演的悬疑古装言情探案剧《两世欢》开播。2021年3月8日,参演奇幻悬爱剧《司藤》播出；同年,参演电视剧《真相》；12月3日,参演的电影《古董局中局》上映。2022年,参演电视剧《月歌行》播出。2023年,参演原创古装传奇剧《一念关山》；10月27日,主演的喜剧电影《二手杰作》上映。
2007年12月,受邀参加中国红十字会总会预防艾滋病工作办公室,美嘉欢乐影城共同发起的“我在新年许下愿望”捐助艾滋孤儿慈善电影专场,并在现场发起捐款。