1994年，与宁静、邵兵合作参演霍建起独立执导的电影处女作《
赢家》，在片中扮演一个失去胳膊却又自强不息的青年。该片获1995年第1届奋发文明进步优秀作品奖、1996年第6届上海影评人奖十佳影片和第2届中国电影华表奖优秀故事片奖、1997年第5届五个一工程奖优秀故事片奖。
1995年，参演吴若甫、王强主演的军旅题材电影《征服死亡地带》。
1997年，出演陈凯歌执导，巩俐、张丰毅主演历史片《荆轲刺秦》饰演赵使。同年参演孙周执导的电影《
漂亮妈妈》，和巩俐合作。还参演了滕文骥执导，张国立、刘孜主演的悬疑探案剧《危情时刻》，在剧中饰演刘卫卫。同年与王强合演张汉杰执导的电视剧《
老三届》。
1998年，出演丁黑执导涓子、廖凡、辛柏青主演的现代都市剧《致命邂逅》。同年与舒淇、吴辰君主演叶鸿伟执导抗战片《
山顶上的钟声》。主演杨亚洲执导电视电影《婚前别恋》。
1999年，再次参演杨亚洲执导，陈征、梁丹妮主演电视电影《大戏小戏》。同年与莫文蔚、姜武主演电影《
走到底》。同年与卢芳主演陈刚执导的儿童题材电影《欢乐公主》。
1999年，参演陈建斌、丁嘉丽主演的情感剧《有爱的日子》。
2000年，出演颢然执导，刘琳、周逵、郭柯宇主演的电视剧《
最爱》。同年出演高群书执导的《
命案十三宗》续集电视剧《
真相》。
2001年，参演邵方执导，范冰冰、刘红雨、郝戎主演的都市生活剧《中关村风云》。同年在陶红、姜武主演的家庭情感剧《空镜子》中饰演一个女性化的男人。
2002年，在刘欣、邵峰主演，改编自张爱玲同名小说的家族大戏《金锁记》中饰陆荐云。
2003年，在朱媛媛、倪萍主演的都市情感生活爱情伦理剧《浪漫的事》中饰演陈昊。同年在马戎导演的《老威的X计划》中饰演史洪涛，与刘威、林洁合作。
2004年，与辛柏青、柳云龙、陈刚主演警匪剧《零距离》，在剧中饰演王建东。同年与林依轮、海青共同主演爱情轻喜剧《男人女人向前走》。参演曹翠芬、刘威主演的大型中国式婚姻爱情悲喜剧《追赶我可能丢了的爱情》饰魏劲戈。
2005年，与高明、史兰芽主演电视剧《中国脊梁》。同年与海青、赵毅主演家庭情感剧《不能失去你》。在《中国式结婚》中客串李骏。在朱媛媛、李幼斌主演解放战争剧《红色追击令》中饰演罗江。
2006年，在于震、王丽坤、淳于珊珊主演的《五号特工组》中饰演汪伪特务机构“76号”头目齐冠雄。同年在姜武主演青春偶像剧《开盘》中饰演商界精英。
2007年，主演编剧庞一川关中系列剧封笔之作《关中男人》，在剧中饰演极具传奇色彩的关中男人王长安。
2008年，与范伟、居文沛主演当代都市喜剧电影《即日启程》。与郭晓冬、潘雨辰主演都市情感剧《亲爱的敌人》。与闫妮、张译主演家庭伦理剧《
三七撞上二十一》。在高虎、黄俊鹏、吕一主演首部盗墓题材片《国家宝藏之觐天宝匣》，在剧中扮演足智多谋大侦探萧剑南。
2009年，与吴越、常玉红主演文艺影片《老丁的春天》。在国内首部反映刑释人员回归社会的现实题材电视剧《永不回头》中客串张辉。在陈小艺、许亚军、胡可主演的《复婚》中饰演有些感情纠结的医生薛四平。
2010年，凭借与秦海璐主演的电影《
钢的琴》获得第23届东京国际电影节最佳男主角奖，是近10年唯一华语影帝。并凭此片提名第48届台湾电影金马奖最佳男演员和第28届金鸡奖最佳男演员。
2011年5月30日，担纲俄罗斯电影展的推广大使。2011年10月27日晚，第七届中美电影节在洛杉矶盛大开幕，王千源凭借《钢的琴》获得“金天使”最佳男演员奖。获得第14届上海国际电影节之第08届电影频道传媒大奖最佳男主角。同年与姜华、杨雨婷主演抗日剧《
地道战》饰演高传宝。与郭晓冬、郭晓峰主演悬疑谍战剧《我是真的》饰演假桑义州。在陶虹主演的《买房夫妻》中饰演西装男兰贵成。
2012年，与连奕名、刘琳主演年代军旅戏《五湖四海》饰演魏景林。同年与朱雨辰、白百合、车晓合演偶像剧《说谎的爱人》，在剧中饰演牙医宋彤。在为解放西藏60周年特制的献礼剧《英雄先遣连》中饰演人民英雄李狄三。
2013年，在郑晓龙执导，黄海波、陈好、吕丽萍主演的喜剧《新编辑部故事》饰演刘向前。同年与王挺、王力可主演战争传奇剧《
异镇》饰演李从文。同年获得MSN时尚影响力大典最受欢迎男演员奖。
2014年，出演吴宇森导演的战争题材灾难大片《太平轮》，参演许鞍华执导的《
黄金时代》。与张一山、刘涛、于小伟主演都市备孕轻喜剧《
食来孕转》饰演沈立东。与陈宝国、杜志国主演刑侦剧《湄公河大案》饰演高野。
2015年，与刘诗诗主演刘江导演的谍战剧《
黎明决战》。8月，由夏钢执导，余男、王千源、南宫民等主演的悬疑爱情电影品质之作《月色撩人》在广东东莞紧张热拍。
