2002年，出演由上海美术电影制片厂开拍以原创动漫改编的青春偶像剧《我为歌狂》播出，饰演的男一号叶峰外表冷峻内心敏感，季晨凭借该剧正式出道；随后，参演都市情感剧《北京假日》。2004年，胡兵首次担任制作人的影片《真情告别》播出，季晨出演男主的弟弟。

2005年，参演古装神话剧《新聊斋志异之小倩》，在剧中首次饰演反派角色黑山老妖。2006年7月，与宋丹丹主演的校园言情剧《谈谈心恋恋爱》播出，季晨在剧中饰演外地来到滨海市就读的专科生刘得华。2007年，出演浪漫轻喜剧《律政佳人2》。

2008年，出演周迅、桂纶镁主演的喜剧电影《女人不坏》，该片为其首部电影作品。2009年，主演奇幻爱情电影《变身契约》，饰演懦弱且缺乏自信的保安队员黄小强；同年，参演古装历史剧《大秦帝国之裂变》，在剧中饰演齐国君主齐威王。2011年，在爱情电影《那些一见钟情的事》中首次担任男主。

2012年，出演古装神话剧《虎符传奇》。2013年4月，联合袁珊珊、贾乃亮等主演家庭轻喜剧《家有喜妇》；10月，主演的都市励志喜剧《爱拼北京》上映；12月，参演古装武侠剧《神雕侠侣》，饰演武学修为登峰造极，“天下五绝”之一的“南帝”一灯大师。

2014年，与袁中方共同主演主演穿越剧《拐个皇帝回现代》，一人分饰孝文帝、李欢两角；同年，出演古装励志剧《美人制造》。2015年，在古装权谋剧《琅琊榜》中饰演个性刚正不阿，胸怀远大的祁王萧景禹。

2016年，《拐个皇帝回现代》的续集《又拐个皇帝回现代》播出，季晨继续主演该剧；同年，在漫改真人剧《画江湖之不良人》中饰演外表暗黑性格阴郁的黑无常。2017年，出演古装爱情剧《醉玲珑》，在剧中饰演三皇子元济。

2018年，主演冒险题材网络剧《沙海》，饰演沉着冷静的黑眼镜一角；随后，与白宇共同主演民国悬疑推理剧《绅探》于2019年4月18日首播，季晨在剧中饰演集帅气与才华于一身的法医本杰明。

2019年4月，主演的奇幻爱情电影《傀儡姬彼岸花》在优酷首播；11月4日，参演亲情片《世上只有妈妈好》；同年，参演古装武侠剧《燕云台》。