2003年，史磊在武侠片《关中刀客》中饰演女主角徐帆的儿子，正式出道2004年，他与陈道明、蒋雯丽合作出演都市情感剧《中国式离婚》，饰演宋建平和林小枫的儿子当当

2005年4月，史磊与陈道明、刘嘉玲共同出演年代剧《一江春水向东流》，饰演抗儿 。12月，他参演由陈凯歌执导的东方奇幻电影《无极》，因在片中饰演小无欢一角而为观众熟知

2006年，史磊与刘雪华、施羽合作出演民国家庭剧《春天后母心》，饰演常常和弟妹们斗嘴却心地善良的陈天柱。2007年，他与陈道明、胡军合作出演古装历史剧《卧薪尝胆》，饰演越王勾践的弟弟纪侩王子。2008年，他在古装剧《鹿鼎记》中饰演了少年康熙一角，再次受到关注。

2009年5月，史磊与郭冬临、刘敏合作出演古装情景剧《万卷楼》，饰演讲究繁文缛节的学堂班长东郎。10月，他在古装武侠剧《倚天屠龙记》中饰演男主角张无忌的少年时期 。2010年，他与赵薇、甄子丹合作出演武侠电影《锦衣卫》中，饰演锦衣卫指挥使青龙哥哥。

2011年3月，史磊在传记电影《我的少女时代》中饰演性格外向的农村孩子三梆子。4月，他主演情感电影《胡杨深处是我家》，饰演性格叛逆的汉族少年高泽。7月，他主演献礼影片《少年邓恩铭》，饰演受到革命思想启蒙、追求真理的少年邓恩铭。2012年，他在张纪中监制的古装神话剧《西游记》中饰演金角童子一角。

2013年，史磊主演现实题材影片《插班生》，饰演想要实现上学愿望的农民工之子王小宝。同年，他在年代传奇剧《浦江危情》中饰演家族遭遇灭门之灾的少年谢之飞。

2014年，史磊与范明、杨立新联袂主演都市情感轻喜剧《老爸太囧》，饰演货车司机朱耀飞的儿子朱奔 2015年，他主演科幻动作剧《正义联盟》，饰演为寻找父母失踪原因而重走探险路的男孩明肃。

2016年，史磊出演由柯威执导的当代都市电影《小角色》。同年，他受邀参加安徽卫视《国剧盛典》，在现场演唱了歌曲《大梦想家》。

2018年，在破次元时尚喜剧《内衣先生》中饰演陈家静。