1997年，拍摄首部电视剧《城市边缘人》。1998年，出演家庭情感剧《母亲》。1999年，出演陈道明主演的古装剧《绍兴师爷》；同年，主演都市电影《夏日暖洋洋》，该片通过出租车司机德子的一段情感经历描述了一个年轻人眼中的另类社会，他也因此获得第8届北京大学生电影节最佳男主角提名。
2000年，出演刑侦警匪剧《重案六组》，饰演杀父弑母的秦一鸣。2003年，主演黑色幽默电影《武松打我》，饰演武松迷导演门德松，获得布鲁塞尔国际独立电影节最佳男演员奖。2004年，出演改编自真实故事的犯罪题材电视剧《追你到天边》，饰演反派吴大龙；同年，出演金琛执导的爱情剧《爱在左，情在右》。
2005年，在孙红雷、陈小艺主演的家庭剧《半路夫妻》中饰演大蜘蛛。2006年，出演青春情感剧《与青春有关的日子》，饰演“北京混混”刘会元。
2007年3月30日，在青春情感剧《我们无处安放的青春》中饰演王勃，剧中与张歆艺产生情缘。6月2日，出演家庭伦理剧《张礼红的现代生活》，饰演性格分裂又异常聪明的精神病患者刘流。11月30日，在战争爱情题材电影《凤凰》中饰演丁根。
2008年8月18日，出演孙宁、王学兵主演的家庭剧《忘不了》。10月11日，主演“死间”题材的谍战剧《长江一号》，饰演高级特工伍先明，看似风流倜傥、玩世不恭，却文武全才、有着不为人知的辛酸与悲哀。12月24日，出演改革开放题材电视剧《深圳湾》，他饰演的赵可家历尽艰辛成为青年实业家。
2009年7月18日，出演奚美娟主演的家庭情感剧《爱有多远》，他在剧中饰演的叶祖辉是叶家老大，从小顽皮、但却有担当。12月23日，在家庭情感剧《成家立业》中饰演混迹江湖的二蛋子。
2010年1月30日，在王宝强主演的抗战剧《为了新中国前进》中饰演赵连长，粗人一个的他有着真挚热情的一面。8月13日，出演改编自同名小说的黑色幽默风格电视剧《我叫刘跃进》，饰演小偷“青面兽杨志”。8月20日，主演“11度青春电影行动”的第一部短片《拳击手的秘密》。10月5日，在抗战剧《梦想光荣1942》中饰演喜剧角色土匪小彪子。
2011年4月26日，在甄子丹主演的古装动作电影《关云长》中饰演五关六将中的卞喜。8月3日，出演谍战剧《暗红1936》，剧中饰演特务科长胡汉良，充满“柔情与心机”的角色。8月12日，在警匪剧《生死大营救》中饰演心思缜密的高智商犯罪分子武阳。
2012年3月14日，出演家庭情感剧《媳妇是怎样炼成的》。5月，出演的由张译、李晨主演的战争剧《好家伙》开机，饰演高泊飞。7月6日，出演陈凯歌执导的都市电影《搜索》。10月20日，在胡军、李雪健主演的军事题材电视剧《孤军英雄》中饰演老兵葛存金。
2013年5月3日，在情感悬疑剧《天亮请睁眼》中再度演绎反派刘天昊，暗箱操纵着贩毒业。
2014年3月21日，与廖凡、桂纶镁共同出演犯罪爱情电影《白日焰火》，饰演为了追求真相不惜代价的刑警小王，该片获得了柏林电影节最佳影片金熊奖，他也凭借该角色获得了第12届中国长春电影节最佳男配角提名以及第15届华语电影传媒大奖最佳男配角提名。6月4日，客串年代情感剧《别叫我兄弟》。8月5日，出演情感剧《约会专家》。9月26日，在赵薇、黄渤主演的打拐题材温情电影《亲爱的》中再度演绎警察角色饰演刘向东，寻找拐卖儿童的民警。12月21日，在范冰冰主演的古装剧《武媚娘传奇》中饰演李义府，出身卑微但审时度势的小人，助力武皇执掌天下。
2015年7月1日，与杨坤合作拍摄的拳击题材电影《冠军的心》开机。9月30日，出演改编自真实故事的犯罪片《解救吾先生》，在片中饰演绑匪阿仓，与刘德华有不少对手戏。10月，出演的剧情片《喊·山》作为闭幕影片亮相釜山国际电影节。12月24日，在冯小刚主演的动作电影《老炮儿》中饰演小偷。12月29日，出演讲述历史人物张学良一生的年代剧《少帅》，与文章、李雪健、宋佳等合作，剧中饰演民国枭雄杨宇霆，精于谋略、心机颇深。
2016年2月，获邀助阵东方卫视明星喜剧竞赛真人秀节目《欢乐喜剧人》，携手秦昊上演舞台版《老炮儿》。5月，在海清主演的都市剧《女不强大天不容》中饰演江心岛灾民顾永刚，颇具社会现实本色的小人物。8月26日，出演犯罪爱情片《喊·山》，饰演好吃懒做的游民腊宏，内敛低调、寡言少语的邪性角色。同年参演电视剧《射雕英雄传》，饰演段天德。
2019年9月6日，与王志文、余男等合作主演的电影《最长一枪》上映；9月，在刘伟强执导电影《中国机长》中饰演西部战区空军航管处值班领导。
荣誉奖项
余皑磊在多数观众印象中总是以反派形象出现，《重案六组》里饰演的杀父弑母的大学生，《武媚娘传奇》里的小人李义府，《半路夫妻》里的“大蜘蛛”，《与青春有关的日子》里痞气十足的刘庄主，包括在《解救吾先生》里的阴冷凶狠的绑匪阿仓，都让余皑磊赋予了反派该有的气质，因而深入人心。不论角色正反，余皑磊都追求精准展现人物最真实的状态，同时为角色赋予更多的可能性，单凭个人魅力就可给角色赋予光芒。多年来他演绎过很多不同的角色，有媒体称赞他是一位有灵性、能感悟角色的好演员。
他在《武媚娘传奇》中将李义府这一“小人”诠释得入木三分，面对武才人的循循善诱，由抗拒，到试探，到动摇，再到淡定机智地表明立场，他几乎用眼神完成了整个心理变化过程，在余皑磊的表演下，观众看到的李义府虽不改“小人”见风使舵的本性，但也不乏诙谐可爱之处。
