2014年，佟梦实参加了云南卫视青少年海外生存纪实真人秀节目《起航吧，少年》全球海选，经过半个月的培训，最终与徐浩、邬帆帆、宋雅卓、尹淇、崔硕获得登船录制节目的资格。

2015年10月，作为旁听生参加湖南卫视原创校园纪实真人秀节目《一年级·大学季》，并与佟大为、黄志忠、袁姗姗等合唱主题曲《新生》，从而正式进入演艺圈；同年，完成了个人首部电视剧作品，参演李易峰、赵丽颖、杨紫、成毅主演的古装仙侠剧《青云志》，在剧中饰演耿直憨厚的侠客石头；12月31日，与邵明明以互动嘉宾的身份参加湖南卫视跨年晚会。

2016年1月1日，以“天天小兄弟”成员身份，参加湖南卫视娱乐脱口秀节目《天天向上》；随后，与袁姗姗、邵明明、赵顺然等参加金鹰卡通卫视险闯关节目《疯狂的麦咭第三季》 ；同年，与宋芸桦、官鸿、刘倩妤联袂主演根据随侯珠同名小说改编的青春奇幻网络剧《别那么骄傲》，在剧中担纲男主角，饰演性格霸道独立的学霸何之洲，并与王心凌合唱了该剧的主题曲《冤家路窄》；之后，与王秀竹、裴子添联袂主演古装玄幻剧《玄门大师》，饰演热血少侠张陵；12月，与袁冰妍、张子文、郑媛元、聂闻远合作主演青春励志剧《青春二月当艳阳》，在剧中饰演风流潇洒、桀骜不驯却又身患奇特失忆症的男主角霍彬。

2017年，与邢菲、聂子皓、涂冰联合主演青春校园剧《热血狂篮》，在剧中担纲男主角，饰演孤僻冷傲、强势霸道的华天学院校篮球队队员楚逍；12月27日，与王鹤润搭档主演的古装悬疑剧《艳骨》首播，在剧中担纲男主角，饰演有判断、有担当的死士掠影。2018年10月，与毛晓慧主演电视剧新版《神雕侠侣》，在剧中饰演杨过。

2019年1月19日，参演的古装电视剧《皓镧传》在爱奇艺网络播出；在7月，与张芷溪、向昊、程砚萩合作主演古装励志剧《纨绔世子妃》，在剧中饰演温文尔雅的腹黑世子容景。10月12日，参加青春体娱跨界类型节目《超新星全运会第二季》；11月26日，由张若昀、李沁、陈道明主演的古装权谋剧《庆余年》播出，佟梦实在剧中饰演高深莫测的不老神话五竹。