2003年，大学毕业前夕，由胡玫执导陈宝国、焦晃、归亚蕾主演的历史正剧《汉武大帝》开拍，杜淳参加剧组试镜，试的是刘谦一角，导演看了杜淳的试戏录像后，却敲定他出演有16个演员参与竞争的青年汉武帝一角。该剧于2005年播出，杜淳的演技获得肯定，并得到父亲的认可，他的演艺生涯从此拉开帷幕。《汉武大帝》之后，杜淳出演了黄晓明、陈道明主演的电视剧《大汉天子2》饰演李勇，和电视剧《少女总裁》饰演江南雨。2005年，客串古装剧《大宋提刑官》。2006年，参演无厘头古装剧《江湖俏佳人》，出演男主角黑木。

2007年，杜淳与李彩桦、温兆伦、崔林联袂主演由香港导演袁英明执导的古龙剧《大旗英雄传》，饰演铁血柔肠的少侠铁中棠，这是他首次担任第一男主角，该剧夺得2007年度“最佳古装剧”、“央视优秀剧”、“最受欢迎武侠剧”奖项。同年参演改编自同名红色经典电影的电视剧《51号兵站》，饰演男一号“小老大”梁宏，杜淳演绎的“小老大”梁宏沉着勇敢、机智过人、文武双全，被誉为“青春革命偶像”，荣获2007年度南方影视盛典“年度最佳男主角奖”。与高圆圆主演年代剧《爱无悔》，饰演对爱情执著的高家饼铺二师傅“杜浩然”。

2008年，再次出演红色电视剧《敌营十八年》，饰演男一号江波，一个潜伏敌后智勇双全的地下党员，并演唱插曲《两难》。

2009年，杜淳主演的以反映中国近代史上著名的三次人口迁徙之一电视剧《走西口》作为央视一套开年剧播出，杜淳饰演从学徒到商人再到革命志士的男一号“田青”，为国尽力散尽家财、仁义无双的儒商形象给不少观众留下深刻印象，该剧以平均收视率9.60%创下2002年来央视开年戏收视纪录；荣获第十一届“五个一工程奖”和2010中国电视剧满意度调查华鼎奖“最佳电视剧”奖。

2010年，参演偶像剧《租个女友回家过年》，饰演饰演男一号龙门古镇的孙氏后代孙翌伟，杜淳饰演的孙翌伟以日薪五百的高薪租来薛佳凝假扮女友回家过年，以此引发的一系列亲情、友情、爱情大混战，被观众誉为“温馨而有内涵的偶像剧”。出演电视剧《南下》，讲述了南下干部的苦与乐，杜淳和李小冉在剧中苦恋，为观众展示了那个特定年代中艰难而痛苦的爱情。参演《青春期撞上更年期》出演男一号青年才俊犹豫纠结的青年作家邓家齐，凭借此剧荣获2011年中国大学生电视节年度“最受大学生喜爱男演员”奖。

2011年，参演由香港导演陈嘉上执导根据同名电影改编的电视剧《古今大战秦俑情》，饰演男一号，与剧中的韩冬儿上演了一曲三生三世的爱情绝世恋歌。参演新版《水浒传》出演西门庆一角。

2012年，主演由赵宝刚导演的电视剧《北京青年》，饰演从小混混到为父解忧的“靠谱青年”“何北”；参演爱情励志电视剧《我的经济适用男》，饰演的高富帅冯志豪。

2013年，主演都市情感剧《三十岁你好》，该剧直面而立之年的80后，讲述了当代年轻人婚姻难、立业难的命题，播出之后引发众多80后的共鸣。

2014年，与颖儿合作电影《谁说我们不会爱》，杜淳首度在电影中担纲男一号，演绎一个有着豪车豪房，风流不羁的“富二代”。主演都市悬疑剧《美丽背后》，饰演精英律师林熠伟，并首次跨界担任监制。

2015年，杜淳与Angelababy领衔主演改编自桐华同名小说的电视剧《大汉情缘之云中歌》，饰演男一号孟珏。主演由刘进执导的都市情感剧《老婆大人是80后》，饰演一位温柔积极、无忧无虑的“三好萌男”吕不凡，演绎了一个平凡的“80后”小家庭一段既有欢笑，也有泪水的“逗比爱情”。同年，在湖南卫视创意实境真人游戏节目《全员加速中》担任常驻嘉宾。

2016年，主演六六编剧的都市情感剧《女不强大天不容》，饰演高考文理科双状元的学霸“吕方成”，时间跨度十七年。主演电视剧《熟男养成记》，饰演武校毕业生费仲杰，一位阳光暖男，在工作和生活的磨练中坚强成长；出演程耳执导的电影《罗曼蒂克消亡史》，饰演只收路费的杀手。出演科幻电影《三体》，饰演天才数学家魏成；在湖南卫视综艺节目《旋风孝子》中担任常驻嘉宾，与父亲杜志国回到家乡共同生活6天5夜。担任湖南卫视综艺节目《全员加速中》第二季常驻嘉宾。 并登上央视春晚，与蒋欣、汪晓敏合作表演民族歌舞《在你伟大的怀抱里》。

2017年，主演我国首部维和题材电视剧《维和步兵营》，首次挑战现代军人的角色，饰演坚毅冷峻的林浩楠。2018年，担任制片人并与葛优、岳云鹏合作主演电影《断片之险途夺宝》。

2019年，主演科幻悬疑题材电视剧《无主之城》，饰演脸上有疤心中有伤的罗燃。同年出演管虎执导的抗战题材电影《八佰》，饰演524团团附谢晋元。同年，参与央视“故事里的中国”栏目第二期节目的录制，饰演小说《平凡的世界》中的主人公孙少平。10月23日，主演的悬疑刑侦剧《时空来电》播出，在剧中饰演刚正不阿，充满正义感的警官曹征。