1998年,与徐静蕾、李亚鹏主演青春偶像剧《
将爱情进行到底》走入观众视线,剧中饰演才华横溢、对爱执着的乐言,因质朴本色的表演被观众称为“大众女婿”。
2000年,主演电视剧《
欲望阻击》,饰演男主角丁晓雷。同年,主演电视剧《
让爱作主》,饰演肖天海;出演电视剧《彩票梦》,饰演韦家贵。
2001年,主演家庭暴力题材电视剧《
不要和陌生人说话》,凭借“安嘉睦”一角成名,并荣获“中国电视艺术双十佳演员”奖;同年,与徐静蕾、李小璐、夏雨等人共同出演爱情偶像剧《
天空下的缘分》,在其中一个故事中饰演男主角"李拓";主演电影《秋天的流星雨》。
2002年,主演缉毒题材电视剧《
绝对控制》,饰演正义、倔强而富有激情的“薛冰”,凭借精彩的表演获封“警察专业户”。同年主演电视剧《生死之恋》,饰演男主角高君宇。同年与何润东、沈傲君等人共同出演电视剧《
四大名捕斗将军》,剧中饰演“铁手”一角。同年10月,与李亚鹏、周迅主演电视剧《
海滩》,剧中饰演王小兵。同年主演电影《
暖冬》。
2003年,出演都市情感剧《
青鸟的天空》,饰演男主角彭卫宇;在电视剧《
福星高照猪八戒》中饰演单纯而痴情的牛魔王。同年,主演电视剧《天涯追杀令》,饰演夏侯雄。
2004年,在电视剧《
凌云壮志包青天》中出演包拯一角;在央视大剧《
七剑下天山》中饰演青干剑杨云骢。同年出演电视剧《月上江南》,饰演司徒剑。
2005年,携手袁泉出演央视一套开年贺岁剧《
完美》,饰演男主角律师佟言;同年5月,主演电视剧《
大阿哥溥俊》,剧中饰演历史人物溥俊。7月,在电视剧《可可・西里》中再度扮演一名警察;12月,主演电视剧《
秘密》,饰演男主角顾海洋。
2006年,主演反特悬疑剧《
羊城暗哨》,获得南方盛典“2007年度最具人气男演员”奖;8月,在根据方方同名畅销小说改编的电视剧《
桃花灿烂》中首次出演众星捧月的“情圣”。
2007年4月,主演电视剧《
大长垣》,饰演男一号牛长远。7月,主演电视剧《
忘不了》,饰演白志强。9月,出演电影《
命运呼叫转移》。11月,参演电视剧《
倾城之恋》,剧中王学兵突破戏路饰演浪荡公子唐一元。12月,与张歆艺、李光洁主演医疗题材电视剧《
柳叶刀》,王学兵在剧中出演为人正直、医术高明的医生“顾明道”。
2008年,在谍战悬疑剧《
迷雾重重》中饰演男主角“陈元地”;主演电视剧《
滇西1944》,饰演马成龙。
2009年1月,与左小青、刘威等主演少数民族献礼剧《
金凤花开》,饰演男主角张东海;4月,主演电影《
高考1977》全国上映,王学兵饰演男主角潘志友,该片获得第13届中国电影华表奖“优秀故事片奖”。10月,主演献礼剧《浦江之东》。
2010年1月,出演现代谍战剧《
谍变》,饰演男主角石清泽;4月,主演医疗题材电视剧《
无影灯下》,王学兵再度扮演一名医生萧克明;在电影《
关云长》中饰演王植;参演电影《
建党伟业》饰演“包惠僧”;8月,主演谍战剧《
暗红1936》,王学兵首次一人分饰两角,饰演两兄弟武仲明和武伯英。
2011年,出演电视剧《
大秦帝国之崛起》,饰演一代战神“白起”。同年,王学兵跨界发展,首次担任导演并执导了微电影《
坚定的锡兵》,该片荣获第24届哈尔滨冰雪电影节触电单元"导演风格大奖",以及中国首届金微奖・国际微电影节“最佳创意奖”、第三届中国国际新媒体短片节金鹏奖“最佳网络人气短片奖”。
2012年2月,主演电视剧《大侦破》,饰演男主角萧恩;5月,出演高群书执导的电视剧《
我们的生活比蜜甜》,饰演周二庆。同年,在电影《
听风者》中扮演“老鬼”郭兴中,影片上映后票房累计近2.5亿。
2013年3月21日,与美女主播朱丹共同主演的悬疑爱情微电影《
石头剪刀布》优酷网上线播出。
2014年,与廖凡、桂纶镁主演的电影《
白日焰火》荣获第64届柏林国际电影节最佳影片“金熊奖”;参演电影《
北京爱情故事》,王学兵在片中颠覆形象,出演一个事业有成的“极品渣男”,并凭借该片获得第6届澳门国际电影节“最佳男配角”提名;在刘镇伟执导的电影《
完美假妻168》中扮演腹黑贱男“郑国富”;参演电影《
白发魔女传之明月天国》七夕上映。
2014年2月,出演电影《
一个勺子》,凭借“李大头”一角获得第51届台湾电影金马奖“最佳男配角”提名,影片定挡于2015年11月20日;3月,出演高希希导演的电影处女作《
露水红颜》,饰演杨振民,影片于11月7日上映;4月,主演电视剧《
红色追剿1949》,饰演大土匪向天豹。6月,主演“印象派”喜剧电影《
印度奇游》。9月,主演爱情电影《明天我要嫁给你了》。同年,王学兵再度跨界,全新单曲《蜜雪儿de冒险》MV正式首发。
2014年10月27日,由林兆华执导,王学兵领衔主演的话剧《
人民公敌》在北京保利剧院开启首演,并于11月起在全国近30座城市展开巡演,预计演出规模将超过100场。此次演出,也是王学兵自1997年出演话剧《保尔・柯察金》之后,时隔17年重新回到话剧舞台。
2015年9月,公路犯罪电影《
未择之路》在甘肃敦煌正式开机,王学兵、马伊P领衔主演。