2016年4月，因在电影《火锅英雄》中饰演反派唐僧让人印象深刻；4月，主演由著名作家桐华小说改编的同名电视剧《那片星空那片海》；5月，主演由吴锦源执导的电视剧《楚乔传》；7月，主演民国玄幻网络剧《无心法师2》。2017年4月，荣获第一届网影盛典年度十佳网影人气新星；5月，主演校园青春题材电影《毕业进行时》。2018年，主演电视剧《继承者计划》。2019年2月，加盟浙江卫视《奔跑吧》，担任MC。2020年12月4日，出演电影《如果声音不记得》；12月18日，与彭于晏、辛芷蕾合作主演的电影《紧急救援》上映，在片中饰演交通海上应急反应特勤队绞车手赵呈。 2021年5月20日，王彦霖宣布和女友艾佳妮领证结婚。同年。主演由十一月执导、韩寒监制的网络剧《飞驰人生》。

2023年1月30日，网剧《飞驰人生》全阵容官宣：王彦霖领衔主演；2023年4月8日，主演由正午阳光出品的电视剧《艰难的制造》宣布开机；5月11日，入选《漂亮的战斗》飞行嘉宾官宣阵容；5月25日，出演的电视剧《熟年》播出；6月，参加综艺节目《是好朋友的周末》；6月23日，参加的综艺节目《是好朋友的周末》在优酷播出；7月5日，领衔主演由李木戈执导的电视剧《我的人间烟火》播出。11月7日，参加的综艺节目《爱的修学旅行》播出。