2015年，出演周迅、吴镇宇、祖峰主演的悬疑律政电影《保持沉默》，在片中饰演检控官吴正为的助手秦刚，这是他的首部电影作品。

2016年，签约华谊兄弟时代文化经纪有限公司，成为旗下签约艺人，从而正式进入演艺圈；同年，与钟汉良、杨颖、甘婷婷共同出演古装武侠剧《孤芳不自赏》，在剧中饰演表面虽吊儿郎当、实则心地善良的且柔城守番麓，这是他的首部电视剧作品，他也因此受到关注。

2017年，王天辰通过了冯小刚执导的剧情电影《芳华》的试镜，获得了出演男二号的机会，他在片中饰演了阳光俊朗、风度优雅又不失青春感的外形文工团小号手陈灿，而他则凭借该片入围第34届大众电影百花奖最佳新人奖；6月17日，随电影《芳华》剧组出席第20届上海国际电影节 ；随后，与唐嫣、罗晋、于济玮合作出演青春励志剧《归去来》，在剧中饰演性格叛逆、缺少关爱的留学生成然；11月16日，与张佳宁、张智尧、袁咏仪领衔主演的古装穿越爱情喜剧《唐砖》正式开机，在剧中饰演从现代社会穿越到唐朝的男主角云烨。

2018年6月，搭档祝绪丹、阮经天等主演年代传奇情感剧《一身孤注掷温柔》，在剧中饰演霍仲祺；6月17日，获得微博电影之夜微博最受期待演员奖；同年，作为补位阵容参加北京卫视明星跨界音乐真人秀节目《跨界歌王第三季》；11月，参加腾讯视频体育竞技节目《超新星全运会》。

2019年，主演悬疑刑侦剧《时空来电》。2019年9月，参演电影《我和我的祖国》。