2005年，参演石维坚主演的谍战剧《喋血黎明》，从而正式进入演艺圈；同年，出演阎建钢执导的古装剧《雄关遗梦》。2007年5月31日，其参演的亲情伦理剧《金耳环》（原名《河流如血》）首播。

2008年，参演宋海明执导的剧情电影《水凤凰》。2010年，主演方刚亮执导的微电影《李雷与韩梅梅》，在片中担纲男主角，饰演因与人打架而被辞退的打工仔李雷；同年，与石凉合作主演剧情电影《斗鸡人》。

2011年，与高露、乔任梁联袂主演爱情短片《幸福59厘米之爱有多久》，在片中饰演与女友露露在北京打拼的鑫子；同年，与李伯清、颜丙燕联合主演剧情电影《老家新家》，在片中饰演老余头的儿子余三喜。

2012年1月4日，其主演的爱情电影《@伴娘》上映；1月31日，其主演的爱情喜剧电影《娱乐是个圈》上映，在片中饰演想当歌星的男主角宋玉；同年，出演房祖名主演的爱情喜剧微电影《美好2012之春暖花开》。

2015年8月10日，与张仟、亦涵联合主演的惊悚电影《白日杀机》上映，在片中饰演为废弃多年的化工帮做规划设计的男主角陈伟。

2016年，与梁雪芹领衔主演剧情电影《巧巧》，在片中饰演以富二代自居的混混李卫；11月25日，与邹德江、卢倩文联合主演的战争电影《热土悲歌》上映，在片中饰演因长期受到日军欺压而奋起反抗的大春。2017年，与彭昱畅、王玉雯、李从喜联袂主演剧情电影《大象席地而坐》，在片中饰演想去满洲里避风头的混混头子于城。

2018年7月5日，由徐峥担任监制的剧情电影《我不是药神》上映，章宇在片中饰演脾气火爆但为人仗义的打杂小弟彭浩，并参与演唱了宣传主题曲《生如夏花》，该片票房成绩突破了30亿元人民币，而他则凭借该片入围第55届台湾电影金马奖最佳男配角奖；9月8日，获得智族GQ年度人物盛典年度新锐演员奖；11月16日，与陈建斌、任素汐、潘斌龙联袂主演的荒诞喜剧电影《无名之辈》上映；12月5日，确定搭档马丽主演由耿军执导的电影《东北虎》。

2019年4月21日，获得青年力量致敬盛典青年力量奖。