2015年，王沐霖主演个人首部电视剧《心理罪》，从而正式进入演艺圈；同年，在励志喜剧《福根进城》中饰演蚊子，并在电视剧《俺娘田小草》中饰演石六，后在2016年在警匪悬疑剧《灭罪师》中饰演崔正浩，2017年出演由曹盾执导的大型古装电视剧《长安十二时辰》饰演贾亮、同年主演电视剧《台湾往事》、后在年代情感大剧《我的小姨》中饰演二毛等。

此后在2017年3月在反腐大剧《人民的名义》中饰演李队长、同年5月电影《荡寇风云》中饰演大牙、同年6月在爆笑喜剧《终极三国2017》中饰演郭汜、同年7月在电视剧《浴血十四年》中饰演柳田青冈、同年8月在电视剧《桃花依旧笑春风》中饰演吕飞、同年9月参演电视剧《誓盟》中饰演井上桑  、同年10月在抗日大剧《第一声枪响》中饰演前田，并在喜剧《咸鱼翻身》中客串地鼠一角。

2018年8月出演科幻剧《你好，安怡》饰演张建  、同年出演高伟宁执导亲情暖心剧《我怕来不及》饰演溜子、同年10月出演杨紫、马天宇主演的都市言情剧《我的莫格利男孩》，在剧中饰演小汤、同年11月出演文化抗战题材剧《纸上的枪声》在剧中饰演新四军连长瞿延河。

2019年4月，出演网剧《我叫赵甲第》饰演话事人旭哥。2020年9月29日，参演时代报告剧《在一起之救护者》，在剧中饰演江苏医疗队王木岭；9月30日，在爱奇艺热播剧《酒店实习生》中饰演另类奇葩房客彭阳；10月，在卫视热播剧《瞄准》中饰演原71军射击指导队陈万杰。

2021年4月，在李路、张寒冰执导的中国首部火箭军题材电视剧《号手就位》中饰演角色董大柱。