2004年，出演李继贤执导的青春校园电影《没有音乐照样跳舞》，在片中饰演高中生陈天阁，这是他的首部电影作品，从而正式进入演艺圈，该片于次年获得中国电影华表奖最佳儿童片奖。 2006年，出演唐大年执导的青春爱情电影《青春期》，在片中饰演对七七有着深深好感的班干部永亮，从而受到关注。 2010年，与李晨、小宋佳、杨立新共同出演家庭情感剧《风车》，在剧中饰演成年时期的梁凡。 2011年，出演刘蓓、严屹宽、郑晓宁主演的都市情感剧《身边的幸福》，在剧中饰演潘娇娇的次子钟天明，与刘蓓饰演一对母子。 2012年6月8日，出演的爱情电影《第一次》上映，在片中饰演乐队成员梁良。 2013年，出演杜淳、马苏领衔主演的年代剧《黄金大劫案》。 2016年，出演刘恩佑、张雯、李雅男主演的民国情感剧《烟花易冷》。 2017年7月19日，其出演的古装武侠电影《绣春刀Ⅱ：修罗战场》上映，在片中饰演武功高强的丁泰。 2018年，出演雷佳音、易烊千玺领衔主演的古装悬疑剧《长安十二时辰》，在剧中饰演外族杀手曹破延。2018年，参与主演了梁鸣执导的电影《日光之下》，荣获第3届平遥国际电影展罗伯托·罗西里尼荣誉·评审荣誉奖及费穆荣誉·最佳导演奖。2019年12月，吴晓亮凭借此片获得澳门澳门国际影展“新华语映像”最佳男主角。 2020年10月27日，出演孙红雷、张艺兴、刘奕君领衔主演的扫黑除恶题材剧《扫黑风暴》，在剧中饰演孙兴。 2020年，凭借电影《日光之下》获第44届香港国际电影节 新秀电影竞赛（华语）单元最佳男演员奖。