2012年，杜天皓被台湾地区可米瑞智文化传播事业有限公司董事长兼总经理柴智屏相中并挖掘，邀请他加入青年作家郭敬明执导的电影《小时代》的拍摄。12月，《小时代》片方公布“卫海”一角由杜天皓饰演。 2013年，他出演的《小时代》和《小时代2：青木时代》相继上映。剧中，杜天皓饰演的卫海一角与“hold住姐”谢依霖饰演的唐宛如有着大量的对手戏，二人也一直在暗恋与被暗恋的关系中剪不断理还乱。 2014年7月17日，杜天皓参演的电影《小时代3》在中国公映。 2015年1月，参与综艺节目《奇妙的朋友》的录制 ，后随节目中李宇春、杜海涛等嘉宾一同参与《快乐大本营》奇妙的朋友专场录制。 2015年6月，参加金鹰卡通卫视大型原创幼儿成长真人秀节目《爱上幼儿园》的录制，担任老师，温暖的笑容和对小朋友充满爱心的照顾得到了无数观众的赞赏。 2015年7月，何炅导演处女作，杜天皓参演的校园青春电影《栀子花开》全国公映。 2015年，杜天皓参演青春偶像电影和网剧《睡在我上铺的兄弟》。 2016年1月10日，由旅游卫视主办《中国校花男神大赛》选秀大赛决赛中邀请杜天皓担任评委嘉宾以及参与爱奇艺王牌综艺栏目《大牌对王牌》的录制，与同期嘉宾罗云熙、郭晓然、金泽灏“追爱大作战”特辑；同年参演《夏天，19岁的肖像》，该片定于2016年暑期档与观众见面。 2017年5月19日，搭档闫妮主演的治愈系情感喜剧电影《美容针》上映，在片中饰演阳光少年小健。8月25日，与朱茵领衔主演的奇幻爱情喜剧电影《二次初恋》上映，其在片中饰演叶兰的侄子路大民。