2000年,出演首部農(nóng)村題材作品《莊稼院里的年輕人》,飾常友。2001年,搭檔申軍誼,韓青拍攝了懸疑刑偵劇《緊急追捕》。呂行電視劇劇照2003年8月,與趙文卓,賈靜雯共同出演古裝劇《神醫(yī)俠侶》,飾項云。2004年4月,與何潤東,高圓圓,歸亞蕾共同主演了唐太宗李世民青年時期的電視劇《秦王李世民》,飾劉文靜；7月,拍攝了反映清朝第一詞人納蘭容若一生極富戲劇色彩情感經(jīng)歷的電視劇《煙花三月》,飾康熙。2005年5月,在蘇有朋,張娜拉主演的古裝輕喜劇《刁蠻公主》中飾白云飛；10月,拍攝了根據(jù)《唐書》,反映唐太宗貞觀之治編劇的歷史劇《貞觀之治》,飾唐太宗李世民的長子李承乾。2006年3月,搭檔于和偉,許晴拍攝商業(yè)題材作品《局中局》,飾雜志攝影記者簡華。2007年6月,拍攝了首部電影《東方大港》,飾陳泓；9月,與范冰冰,孔維共同主演賀歲電影《命運呼叫轉(zhuǎn)移》,飾躍東；10月,搭檔徐崢,劉儀偉,范冰冰主演賀歲電影《愛情呼叫轉(zhuǎn)移》,飾老張。2008年5月,與涓子,奚美娟共同主演根據(jù)池莉小說《所以》改編的電視劇《愛有多遠(yuǎn)》,飾關(guān)淳；5月7日,在左小青,陶虹主演的女性題材輕喜劇《好孕來臨》中飾劉云華；10月,與劉孜,曾黎共同主演抗戰(zhàn)題材作品《花籃花兒香》,飾男主角周云彪。2009年6月,客串了劉儀偉獨立執(zhí)導(dǎo)的第一部電影《火星寶貝之火星沒事》,飾醫(yī)生。呂行的生活照和藝術(shù)照2010年6月,與文章,白百何,張靜初共同主演都市情感劇《萬有引力》,飾風(fēng)雷；8月,在反映七十年代工人工作,生活的浪漫主義色彩的電視劇《師傅》中飾謝思雨；同年,與趙立新,焦俊艷共同主演紅色年代諜戰(zhàn)戲《永不消逝的電波》,飾反派趙子岐。2011年6月,主演了根據(jù)作家許開禎小說《涼州往事》改編而成的《光榮大地》,飾機靈圓滑栓伍子；9月,與張恒共同主演國際密戰(zhàn)劇《馬迭爾旅館的槍聲》,飾滿洲之狐高恒書；12月,與丁志誠,鄒涵虹等主演年度諜戰(zhàn)戲《神槍手》,飾冷酷殺手宮十一。2012年2月,與李幼斌,史蘭芽,隋俊波共同主演賀歲家庭輕喜劇《老嚴(yán)有女不愁嫁》,飾先鋒藝術(shù)潮人葛大碼；5月,和高云翔,張鐵林,呂夏一起主演抗日劇《刀影》,飾上海灘第一殺手杜善起；隨后,加盟了由周渝民,王學(xué)圻,張鈞甯共同主演的長篇抗戰(zhàn)劇《彼岸1945》,飾國民黨士兵童山。2013年6月,在曾麗珍執(zhí)導(dǎo)的都市情感勵志劇《戀戀不忘》,飾厲氏集團特別助理林建東。2014年3月,客串了劉德華領(lǐng)銜主演的內(nèi)地首部“打拐”題材電影《失孤》,飾城管。2015年,參演電影《萬物生長》；同年,呂行時隔8年與舅舅葛優(yōu)共同出演電影《羅曼蒂克消亡史》。在抗戰(zhàn)大戲《政委》中飾演鐵骨英雄宋云杰。2017年12月21日晚,憑借在電影《羅曼蒂克消亡史》中的精彩演出奪得第九屆澳門國際電影節(jié)最佳新人。2018年12月29日,參演的喜劇片《斷片之險途奪寶》上映。2019年2月14日,參演的電視劇《東宮》播出,劇中飾演高顯；9月20日,參演的電影《決勝時刻》上映。2020年2月21日,主演的懸疑古裝言情探案劇《兩世歡》開播。2021年3月8日,參演奇幻懸愛劇《司藤》播出；同年,參演電視劇《真相》；12月3日,參演的電影《古董局中局》上映。2022年,參演電視劇《月歌行》播出。2023年,參演原創(chuàng)古裝傳奇劇《一念關(guān)山》；10月27日,主演的喜劇電影《二手杰作》上映。

2007年12月,受邀參加中國紅十字會總會預(yù)防艾滋病工作辦公室,美嘉歡樂影城共同發(fā)起的“我在新年許下愿望”捐助艾滋孤兒慈善電影專場,并在現(xiàn)場發(fā)起捐款。