2000年，拍攝個人首部作品《莊稼院里的年輕人》從而進入娛樂圈。

2003年，拍攝古裝魔幻愛情劇《神醫(yī)俠侶》。2005年，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》 。

2007年，主演賀歲電影《愛情呼叫轉移》。2010年，主演紅色年代諜戰(zhàn)戲《永不消逝的電波》。2012年，主演賀歲家庭輕喜劇《老嚴有女不愁嫁》。

2014年，主演內地首部“打拐”題材電影《失孤》 。2016年12月16日，呂行參演由葛優(yōu)、章子怡主演的賀歲電影《羅曼蒂克消亡史》全國上映，呂行在片中飾演吳小姐丈夫。時隔八年后，呂行與舅舅葛優(yōu)的再度合作，舅甥關系引發(fā)關注，呂行也被網(wǎng)友親切的稱呼為“國民外甥”。

2017年12月21日，呂行憑借在電影《羅曼蒂克消亡史》中的精湛演技摘得第9屆澳門國際電影節(jié)最佳表演男新人獎。

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10月27日，主演的喜劇電影《二手杰作》上映 ;11月28日，主演的原創(chuàng)古裝傳奇劇《一念關山》播出，飾演杜長史。