1986年，推出第一张粤语专辑《风雪前尘》；同年正式签约TVB，与郭晋安合作，演出单元式处景剧《城市故事》，饰演“表哥”角色，故此有了“温表哥”的绰号。

1987年，发行第二张粤语专辑《恋爱故事》，首次尝试词曲创作；同年参演第一部电视剧《柠檬丈夫》，饰演一位为了移民而抛弃女朋友的香港男人。

1988年，参演第一部古装剧《吉星报喜》首次剃头演出，饰演一代才子陈梦吉。

1989年，参演《义不容情》，饰演反面角色“丁有康”而一举成名。

1990年，他担任男一的电视剧《我本善良》播出，入围“全球发行最卖座电视剧”前3名，成为1997年度新浪“网评最受欢迎的香港电视剧”第五位 ，他饰演的亦正亦邪的“齐浩男”则被视为港剧中的经典角色；同年，推出第三张粤语专辑《没有你之后》，获得双白金销量。

1991年3月，与邵美琪、周海媚、黎明等主演电视剧《今生无悔》，并独唱插曲《从未试过拥有》，再次出演反派人物，饰演“高天俊”。

1992年3月，与罗嘉良、温碧霞主演的电视剧《火玫瑰》播出，温兆伦饰演心地善良、处世稳重的好大哥"Uncle Rain"；4月， 接拍周星驰系列电影《鹿鼎记》，饰演康熙；7月， 在台湾发行首张国语专辑《还能爱我多久》，销量超过20万张。

1993年，他主演的电视剧《义不容情》、《今生无悔》和《我本善良》陆续在台湾电视台播出；3月，在台湾推出第二张国语专辑《永远是你》；5月，赴中国内地拍摄武侠剧《武尊少林》；9月远赴新加坡拍摄电影《笑八仙》。

1994年3月，主演的连续剧《第三类法庭》播出，饰演善良忠厚的“马忠宝”；4月，首次在港开办音乐会。

1995年3月，推出第四张国语专辑《说谎》，正式宣布将事业重心转移到中国台湾；7月，赴台与叶童合演《我本善良II雄霸天下》。同年无线第28周年台庆评出“十大最受欢迎港剧”，温兆伦所演出的作品占有三部，分别是《义不容情》《我本善良》以及《今生无悔》，其中《我本善良》更成为香港观众投票最受欢迎港剧的第一名。

1997年，接拍中国内地电视剧《天地情缘》。

1998年，参演电视《风雨澳门》。

2000年，与黄日华领衔主演《别无选择》。

2002年9月，参演TVB时装剧《流金岁月》，饰演钟守康，与罗嘉良演绎一段兄弟情。

2004年2月，与郭羡妮合作主演TVB古装剧《牛郎织女》饰演牛郎，这是他主演的最后一部TVB电视剧。

2006年9月，主演的电视剧《无国界行动》在央视一套黄金时间播出，温兆伦出演美籍华人缉毒警察。

2007年，参演内地剧《血色蔷薇》，扮演才华横溢，风流倜傥的青年律师。

2008年，参演中国内地剧《大宋才子黄庭坚》饰演秦观。

2009年，参演中国内地民国传奇剧《丐侠传奇》，饰演反面人物外号铜狮子的王祥和；7月，与王识贤和侯天来主演的电视剧《兄弟无间》在四家卫视播出。

2010年9月，参演《黄河古镇》，与李光洁出演对手。

2011年12月，与郭涛、英达主演的抗战题材电视剧《节振国传奇》登陆央视一套晚间黄金档，温兆伦首次挑战日本军官。

2012年8月，参演中国内地剧《女刑警李春春》；8月29日，主演的以台商在大陆创业为题材的电视连续剧《台商》登陆央视第八频道。

2013年5月，与郑少秋加盟央视一套的公益圆梦类舞蹈真人秀节目《舞出我人生》；11月，参加国内首档户外公益旅游节目《两天一夜》。

2014年，参演抗战传奇大戏《我姥爷的故事》。

2015年2月6日，联袂黄征、余思潞等主演的惊悚电影《死亡之谜》全国上映 ；在《我姥爷1945》中饰演一名在中国土生土长的日本人。同年，主演以反腐败为主旋律的电影《守梦者》，饰演纪委书记、市长。12月，执导网络电影《午夜讲诡故事》。

2015年10月，温兆伦参加江苏卫视《原来是你》易容真人秀，化身整蛊老友邵美琪、陈宝华、许绍雄。

2016年4月，主演电视剧《杨光那些事》。同年，主演电影《主播36式》。

2018年，主演电影《侠盗无双》。同年，主演电影《洛溪的养成计划》。