2000年，大学时期的吴中天参加了MTV台VJ的选拔，以主持MTV台《卡拉卡拉榜》节目开始演艺工作。担任蔡淳佳《有心人有情人》MV的男主角。

2003年，与安以轩主演爱情剧《蓝星》。

2004年，在郑元畅、夏于乔、钱韦杉主演的言情偶像剧《爱情魔戒》中饰演杜竞远。

2006年，在张韶涵、沈时华主演的校园偶像剧《爱杀17》中饰演前任高校老师杨仁佑。在天心、王道、唐治平主演的偶像剧《假面天使》中饰演何子谦 。在贺军翔、杨丞琳主演的青春偶像剧《恶魔在身边》中饰演田思慎。

2007年，出演周渝民、侯佩岑主演的偶像剧《美味关系》。首次出演电影《指尖的重量》，并以此片提名第43届台湾电影金马奖最佳新演员、男配角，以及新加坡影展新演员奖提名。

2008年，与吴克群主演台湾和泰国合拍的惊悚电影《绝魂印》饰演史丹利医生。与朱芷莹主演电影《这儿是香格里拉》。客串任达华、张孝全主演的电影《弹道》饰演庞大松。

2009年，参拍林佑威、戴君竹、张晨光主演的年代爱情剧《家书-我在1949，等你》 。出演爱情电影《星月无尽》誓言蔡继浯。

2010年，与陈靖婕主演的情感剧《牵纸鹞的手》，凭借该剧获得第45届台湾电视金钟奖戏剧男主角奖提名。参拍李康宜、蔡颐榛、张书豪主演的星座爱情剧《清蜜星体验》。与夏靖庭、李康宜主演电影《黑猫大旅社》饰演夏谦。在苏照彬执导，杨紫琼、郑雨盛主演的武侠片《剑雨》中饰演杀人熊 。

2011年，出演张博昱执导，寇世勋、林佑威、赖雅妍主演的年代剧《瑰宝1949》。出演卓文萱、张勋杰主演的偶像剧《男女生了没》。与寇世勋、白歆惠主演军事偶像剧《勇士们》饰演张自忠。与朱孝天、陈妍希主演偶像剧《记得，我们有约》。出演舒淇、梅芳主演的系列短片《10 10》。与谢欣颖、隋棠主演电影《命运化妆师》。

2012年，与杨谨华、王阳明主演爱情偶像剧《原来爱·就是甜蜜》饰演徐烨。出演黄渤、赵又廷、杨颖主演的电影《痞子英雄之全面开战》。

2013年，与苏有朋、林依晨主演动作偶像电影《甜蜜杀机》。

2014年，吴中天自编自导的电影《四十三阶》获得第51届台湾电影金马奖最佳创作短片奖，并入围了韩国釜山电影节。

2016年7月22日，由吴中天执导的犯罪爱情电影《天亮之前》在中国大陆上映影片提名第19届上海国际电影节最佳影片。