2001年朱孝天演出偶像剧《流星花园》的男配角西门之后广受欢迎，并与剧中其他三位男演员组成团体F4（又名：JVKV）。 2003年搭档周渝民、徐若瑄主演言情偶像剧《狂爱龙卷风》，在剧中饰演万宝 龙。同年，F4成为美国《福布斯》权力榜唯一入榜的华籍艺人和组合，影响力受国际媒体重视；美国新闻周刊远赴台来访问，形容F4是制造“亚洲之光”的华人使者。 2003年－2004年，F4在印尼、菲律宾、泰国等地演唱，数以万计的演唱会门票均迅即售光，一票难求，更创下华人歌手在当地演唱会的最多观众人次纪录；演唱会和活动屡次惊动各国的领导人、皇室、政府、警队和各大媒体。 2005年，F4首次在日本发行唱片，创下华语唱片在日本公信榜的最高位置纪录，带动“华流”在日本流行。 2006年，F4接受美国有线电视新闻网访问，成为美国CNN首度专访的亚洲团体。同年搭档李冰冰、杨丞琳领衔主演电视剧《天空之城》，饰演陆彬飞。 同年参演电影《东京审判》饰演肖南一角。该电影于9月1日上映。 2007年搭档秋瓷炫、胡静主演古装武侠剧《楚留香传奇》，在剧中饰演楚留香。同年，朱孝天参加在西班牙举行的第7届“常东升杯”世界太极与摔跤锦标赛。 2008年，F4踏上日本歌手的“圣地”日本武道馆开唱，创下华语歌手于日本连开七场万人演唱会的纪录。4月，朱孝天习武3年有成，继2007年在西班牙夺下太极拳金牌，再参加“第17届大湖杯全美武术锦标赛”。9月，热爱摄影的朱孝天受邀参加日本知名设计师村上隆在东京台场举办的艺术展。 2009年3月，朱孝天连续第三年在日本举办个唱，在东京巨蛋JCBHALL和大坂开唱。11月起，朱孝天主演的新版舞台喜剧《他和他的两个老婆》拉开了全国巡演的序幕，大受观众热捧。 2010年3月，朱孝天连续第四年赴东京举行个唱，他特地挑选自己最想唱的经典爵士歌曲《Out OfMe》，还以DinnerShow方式卖票，4场下 来吸金超过1200万元。 2011年与黄圣依、何洁主演电视剧《没有承诺的爱》，在剧中饰演韩嘉琪。同年搭档杨若兮、王双宝领衔主演喜剧《家和万事兴之幸福的味道》，饰演小天。 2012年在颖儿、郑嘉颖主演的古装情感大戏《英雄》中饰演范蠡。同年参演电影《梦回三江》。 2013年搭档张翰、吴佩柔领衔主演都市情感励志剧《华丽上班族》，在剧中饰演仲平。 2016年4月12日，朱孝天和女友韩雯雯是在沈阳秘密领证。 2015年4月16日，朱孝天作为嘉宾，在第五届北京国际电影节开幕式上亮相。