1998年出演了个人首部电影作品《美少年之恋》，从而踏入演艺圈；同年，凭借文艺片《玻璃之城》提名第18届香港电影金像奖最佳新演员 [1-2]  。2001年，主演文艺片《游园惊梦》 [3]  。2003年，凭借动作片《旺角黑夜》提名第24届香港电影金像奖最佳男主角；同年，首次担任电影监制并主演了惊悚片《妖夜回廊》 [4-5]  。

2004年，因出演动作片《新警察故事》中关祖一角受到广泛关注，并凭借该角色获得第41届台湾电影金马奖最佳男配角 [1]  [6]  。2006年，主演并执导了个人电影处女作《四大天王》，凭借该片获得第26届香港电影金像奖新晋导演奖；同年，主演宫廷片《夜宴》 [7-8]  。2007年，主演了剧情片《门徒》、动作片《天堂门》 [9]  。2009年开始，主演了《窃听风云》系列警匪动作片 [10]  。2010年，吴彦祖监制并主演了爱情片《如梦》，并凭借该片提名第46届台湾电影金马奖最佳男主角 [11]  。2012年起，他相继主演了历史片《王的盛宴》、悬疑片《控制》、爱情片《单身男女》系列 [12-13]  。2014年，主演个人首部美剧《荒原》系列 [14-15]  。2015年，其主演的励志片《滚蛋吧！肿瘤君》取得5.1亿的票房成绩 [16]  。2016年，在奇幻片《魔兽》中饰演古尔丹 [17]  。2019年，主演科幻惊悚电影《追忆》 [18]  。