2003年，毕业于中央戏剧学院表演系的吴秀波首次出演男主角——在电视剧《立案侦查》中饰演重案组警官“雷鸣”。值得一提的是，在早期参演的《堆积情感》《天堂鸟》《29天半》等剧集中，他还负责音乐制作工作。

2008年的《剑谍》将他真正推到了大众的视野面前。由于剧本先天不足，边拍边改，吴秀波把男主角方滔的台词删掉了1000多句，才打造了在生活中木讷、笨拙，却令人耳目一新的间谍形象。这部剧集为他赢得了2009年南方盛典“年度最具人气男演员奖”。

2010凭借《黎明之前》，吴秀波爆红，获得中国电视金鹰奖最佳表演艺术男演员奖和最受观众喜爱男演员奖、上海电视节最具人气男演员奖等多个奖项，一跃成为内地最具价值的男演员之一。

2011在六六编剧的现实题材剧集《心术》中，吴秀波饰演神经外科医生霍思邈，和张嘉译、海清、翟天临一起刻画了神经外科医务组的日常生活。在扎实的原著基础上，该剧是国剧中少有的情怀与专业知识并得的行业剧。

2014年，吴秀波与汤唯主演的《北京遇上西雅图》上映，电影票房破5亿，刷新当年国产爱情片票房纪录，他也凭借此片获得第32届大众电影百花奖和第21届北京大学生电影节最佳男演员提名。 

2014年，他和产后复出的姚晨共同主演《离婚律师》。虽然该剧单台收视率就达到了1.547，且持续坐稳收视冠军宝座，却也因为冠名“律师”，剧情却不够专业，更偏向于感情描写而受到争议。

2015年，与薛晓路、汤唯再次合作，主演电影《北西》的姐妹篇《北京遇上西雅图之不二情书》，国内票房达7.9亿。

2017年，同时身为艺术监制和主演的吴秀波携《大军师司马懿之军师联盟》给暑期荧屏带来惊喜。该剧对司马懿进行了新的诠释和演绎，描写了一个英雄辈出、各有特色的魏国阵营：静水流深的荀彧（王劲松 饰演），令人目眩神迷的曹操（于和伟 饰演），狂傲放浪的杨修（翟天临 饰演）…

剧集中还原了史书上描写司马懿的“狼顾鹰视”之相。

该剧下部《大军师司马懿之虎啸龙吟》将于今年秋季播出。