2008年，出演李少红执导的古装情感剧《红楼梦》，在剧中饰演邢岫烟的丈夫、薛宝琴的哥哥薛蝌。

2009年，出演刘烨、高圆圆、李小冉主演的爱情电影《无人驾驶》，在片中饰演总是开车带着不同女人的代驾男孩里加；随后，签约北京千易时代文化传媒有限公司，成为旗下签约艺人；同年，与郑宇成、高圆圆、谭维维合作主演都市情感电影《成都，我爱你》。

2010年，与陈乔恩、黄晓明、曾志伟合作主演青春校园爱情电影《激浪青春》，在片中饰演阳光帅气且有些叛逆的大学龙舟队主力赵家丰；同年，出演刘烨、陈坤、张嘉译主演的革命电影《建党伟业》，在片中饰演中国共产党早期领导人刘仁静。

2011年，与杜雨露、孙兴、周扬合作主演谍战剧《黎明前的暗战》，在剧中饰演代号“坚冰”的地下党员肖天济；同年，主演姜凯阳执导的都市情感剧《你是我的幸福》，在剧中饰演男主角严芒的小儿子严小磊，与李建义饰演一对父子；此外，他还获得了“春季电视剧互联网盛典”最佳男新人奖。

2012年，与苏青、朱刚日尧、李璟合作主演革命剧《铁血男儿夏明翰》，在剧中饰演学生组织“砂子会”成员孙越泽；7月6日，其主演的惊悚悬疑电影《青魇》上映，而他在片中则饰演由于20前的心理阴影而夜不能寐且长期失眠的男主角郝冬。

2013年，出演关心、刘迦密执导的微电影《安大略合约》，在片中饰演留学归国的男主角潘小帅；7月27日，其主演的都市情感励志剧《棋逢对手》在河北卫视、厦门卫视首播，而他在剧中则饰演了性格放荡不羁、爱骑哈雷摩托车游走各处的男主角郑墨，并为该剧演唱了主题曲《不要了》；同年，与周迅、朱亚文、秦海璐合作主演年代传奇剧《红高粱》，在剧中饰演女主角九儿青梅竹马的初恋张俊杰。

2014年10月1日，其主演的剧情电影《黄金时代》上映，而他在片中则饰演了民国作家骆宾基；10月17日，其主演的剧情电影《蓝色骨头》上映；11月28日，其主演的剧情电影《推拿》上映，而他在片中则饰演了推拿中心的盲人推拿师小马，这是他首次在影视作品尝试盲人的角色；12月，获得“国剧盛典”年度飞跃男演员奖。

2015年，作为野生动物实习饲养员参加了湖南卫视原创动物真人秀节目《奇妙的朋友》的录制；6月，担任“上海国际电影节”亚洲新人奖的评委；7月，入围第17届华鼎奖中国百强电视剧最佳男配角奖、中国百强电视剧最佳新锐奖；9月，成为男性时尚杂志《智族GQ》金九刊暨六周年刊的封面人物；9月16日，获得“GQ年度盛典”年度突破艺人奖；8月20日，其主演的爱情电影《恋爱中的城市》上映，而他在片中则饰演了第三单元“巴黎篇”的男主角刘畅；同年，与孙俪、方中信、黄轩、高云翔合作主演古装传奇剧《芈月传》，在剧中一人分饰二角，分别饰演了芈月的初恋情人春申君黄歇、芈月的男宠魏丑夫，该剧在全网的总播放量突破了200亿；此外，他还获得了“第10届华语青年影像论坛”新锐男演员奖。

2016年2月13日，其主演的古装传奇剧《女医·明妃传》在江苏卫视、东方卫视播出，而他在剧中则饰演了明朝第七位皇帝明代宗朱祁钰；3月21日，其主演的民国探案喜剧《猎人》在北京卫视播出，而他在剧中则饰演了为了破案什么都敢做的男主角耶律麒；5月24日，其主演的职场情感剧《亲爱的翻译官》，而他在剧中则饰演了冷静干练、又带点忧郁气质的男主角程家阳，这也是他首次在影视作品尝试翻译官的角色，该剧不仅获得了全国电视剧年度收视冠军，而且平均收视率也都破2；6月25日，受邀出席“巴黎时装周-Dior Homme2017年春夏时装秀”；10月30日，凭借电视剧《女医·明妃传》获得“第三届文荣奖”最佳男主角奖；12月16日，其主演的奇幻动作电影《长城》上映；此外，他还获得了“2017爱奇艺尖叫之夜”年度最佳电视剧演员奖。

2017年1月，获得“国剧盛典”年度实力演员奖；3月，被聘任为了中国电视艺术家协会演员工作委员会常务理事；3月2日，获得“中国电视剧品质盛典”年度最受喜爱的品质剧星奖；3月31日，其主演的警匪动作电影《非凡任务》上映，而他在片中则饰演了缉毒警察林凯，该片在上映第五天票房便突破了一亿元人民币；6月18日，获得“微博电影之夜”微博突破表现演员奖；6月22日，凭借电影《非凡任务》获得“第20届上海国际电影节-成龙动作电影周”最佳动作新人奖；11月21日，其主演的东方魔幻剧《九州·海上牧云记》首播，其饰演类皇族牧云家的六皇子牧云笙；11月22日，获得第14届MAHB年度先生盛典年度最受欢迎艺人奖；12月8日，获得“商业星力量巅峰人物年度盛典”年度吸引力明星奖；12月15日，黄轩主演冯小刚导演的电影《芳华》上映两周票房突破十亿人民币，他在片中饰演文工团“活雷锋刘峰，他则凭借该片获得第9届中国电影导演协会年度男演员奖的提名；12月22日，其主演的古装电影《妖猫传》上映，在片中饰演性格桀骜不羁的诗人白乐天，该片最终累计票房突破五亿人民币。

2018年9月，获得第6届“十大华语电影”年度男演员奖；10月11日，黄轩出席了百度为其“私人订制”的2018百度娱乐人物黄轩专场颁奖礼活动，并获颁百度娱乐年度人物奖；10月12日，与Angelababy领衔主演的都市情感创业剧《创业时代》首播，在剧中饰演从万千创业者中脱颖而出的男主角郭鑫年，该剧上线19日网播量累计突破30亿。

2019年3月，黄轩获得“2019电视剧品质盛典”年度观众喜爱品质剧星奖；5月，主演反特动作剧《瞄准》，在剧中饰演男主角苏文谦；8月，获得福布斯中国100名人榜荣誉；9月8日，黄轩获得第十七届电影表演艺术学会奖颁发的“学会奖”；10月，入围第六届“中国电视好演员”绿组男演员候选名单；12月20日，与杨采钰领衔主演的剧情电影《只有芸知道》上映，黄轩在片中饰演男主角东风。

2020年1月18日，获得“2019阅文原创文学风云盛典”超级匠心男演员奖；2月18日，与佟丽娅领衔主演的《完美关系》播出，黄轩在剧中饰演公关人卫哲；5月1日，在央视《中国梦·劳动美——致敬劳动者五·一特别节目》中，与张国立、温玉娟、王鸥、尚大庆、全总话剧团共同带来的情景表演《你看！春天的花海》；7月1日，由黄轩参演的电影《1921》在上海开机。

2021年1月12日，主演的脱贫攻坚剧《山海情》播出，在剧中饰演马得福；7月1日，由黄轩参演的电影《1921》上映；7月1日，参加的庆祝中国共产党成立100周年文艺演出《伟大征程》播出，与黄渤、张嘉益、闫妮、温玉娟、宋茜、王雷、范志博、许文广、刘诗诗、张奕聪、苏青、张定涵、褚栓忠、杨斯等合作表演《小康之歌》；7月2日，黄轩演唱的电影《1921》主题曲《没有共产党就没有新中国》MV发布；9月，登上《智族GQ》2021年度人物增刊；9月30日，参演的电影《长津湖》上映；10月1日，参演由章子怡执导的电影《我和我的父辈》之《诗》上映；10月29日，与杨子姗领衔主演的电影《乌海》上映，他所饰演的主人公杨华辗转于家庭与事业，城市滋生出的欲望，将他与妻子苗唯裹挟至爱恨边缘，该片被电影评论杂志《银幕》评为“2020最受国际电影节关注的影片之一”，并入围了2020年圣塞巴斯蒂安国际电影节主竞赛单元唯一华语片；12月1日，主演的古装悬疑探案剧《风起洛阳》在爱奇艺全网独播，在其中饰演高秉烛一角；同月，主演的微电影作品《不归人》发布。

2022年5月18日，与白百何领衔主演的都市生活轻喜剧《欢迎光临》播出，在剧中饰演酒店“掌门人”张光正。

2022年7月31日，主演的电影《莫斯科行动》正式开机；11月1日， 参演录制的“金钥匙创投”计划导师全阵容正式官宣；11月6日，参加第14届中国金鹰电视艺术节颁奖晚会；11月11日，主演的电影《恋曲尘封》发布先导海报；12月16日，由其参与中文配音的电影《阿凡达：水之道》在内地上映。

2023年2月，主演的电影《陌生人》开机；3月16日，客串的影视剧《回响》播出；4月，担任第十三届北京国际电影节创投终审评委；6月20日，领衔主演的电视剧《上甘岭》官宣阵容；8月，主演电影《来福大酒店》开机；9月29日，与张涵予、文咏珊领衔主演的电影《莫斯科行动》上映；12月31日，参加《梦圆东方·2024东方卫视跨年盛典》；12月30日，主演的古装精品剧《天启异闻录》播出，饰演的锦衣卫褚思；12月31日，参加《梦圆东方·2024东方卫视跨年盛典》，并与于冬、于适、杜江、蒋璐霞一同表演节目《“红海系列”群英会》。

2024年2月9日，参加《2024年中央广播电视总台春节联欢晚会》，演唱《鼓舞龙腾》和《让幸福飞起来》；5月9日，参加的《金石中国心》第四集上线；6月13日，主演的电影《蛟龙行动》已杀青，计划2025年上映，并官宣加盟《微博电影之夜》；6月14日，参加《2024抖音电影奇遇夜》；6月27日，参加的“2024中国影视之夜”播出；6月28日，主演的电影《来福大酒店》上映；9月17日，参加节目《2024年中央广播电视总台中秋晚会》，演唱《你也有笑脸》。

2020年6月30日，黄轩在微博晒出聊天截图“你拍了拍女朋友”，并配上“爱情”“给你小心心”的表情包承认恋情。同日，黄轩与女友在外滩约会的照片曝光。

2024年9月21日，黄轩在自己的社交媒体平台分享了一组照片。其中有一张是与一位女性的合照，随后有网友在评论区问该女生是否为其女友，黄轩回应称：“是的”。

2014年7月28日，黄轩作为加拿大安大略旅游形象推广大使，同安大略旅游局进行换物活动，以此支持公益项目“微光计划”，而“微光计划”则是由设计师吉承发起，旨在帮助失声、弱视等小伙伴完成学业，成就他们的艺术梦想。

2016年5月27日，与周迅一同现身南京one night公益机构，共同关注重症孤儿的生存现状；5月31日，被聘为全国控烟宣传形象大使，并号召青少年远离烟草。

2017年8月4日，作为野生救援蔬食项目公益大使出席“蔬食，我的新挑食主义”发布会，并倡导公众选择低碳健康的蔬食、减少温室气体排放，为自己的健康和改善环境做出努力。

2018年10月17日，出席电影频道节目中心主办的公益项目“脱贫攻坚战-星光行动”启动仪式；11月，跟随电影频道“脱贫攻坚战——星光行动“深入西藏开展了五天四夜的扶贫调研之行。

2021年7月21日，因郑州暴雨，黄轩向郑州市红十字会捐款100万元。

2018年10月31日，出席由甘肃省文化和旅游厅主办的“丰收了·游甘肃”新闻发布会，并获颁甘肃旅游形象大使证书。

2019年1月16日，出席“典赞·2018科普中国”揭晓盛典，黄轩被聘任为“科普中国形象大使”。

2020年10月18日，担任中国视协新文艺组织和新文艺群体工作委员会委员；12月，担任第三届海南岛国际电影节青年电影大使。

2021年6月10日，获第27届上海电视节白玉兰奖中国电视剧海外推广大使；12月29日，中视协演工委在京举办换届工作会议，黄轩当选委员。

黄轩是一个拥有儒雅斯文气质、对演技懂得文火慢炖的智慧男人。他不仅自带古代书生气质，而且还温润如玉。黄轩的淡定耿直与浮躁的娱乐圈脾气不合，而他的演技和态度却是演艺圈所需要的那种回归本真。黄轩能够在文艺忧伤男和中二搞笑男的角色之间游刃有余地自由切换（腾讯评）。

黄轩无论戏里戏外，他都有一种温文尔雅的气质（《城市快报》评）。黄轩的身上有着无限的可能性，他在电影《青魇》中，展现了其丰富的想象力（导演邱礼涛评）。

黄轩具有精湛的演技，他在电视剧《猎人》中，将悬疑的案情与缜密的思维博弈中融入了轻松幽默，霸道中自带痴情属性，举手投足尽显其独特的雅痞气质（新华网评）。

黄轩在电视剧《女医·明妃传》中，展现了与众不同的实力演技，他将看到心爱之人的喜悦表演得淋漓尽致（网易评）。