2005年，大三时吕聿来出演电影处女作《孔雀》，在片中饰演个外表忧郁、内心丰富的柔弱的小弟，并提名华语传媒电影大奖最佳男配角，并随主创一同参加第55届柏林国际电影节。

2006年9月6日，与李保田、杨亚宁联袂主演的剧情电影《马背上的法庭》上映，吕聿来也凭借此片提名第7届华语电影传媒大奖最佳男配角。

2007年，出演电影频道出品的数字电影《掌声响亮》，并担任该片的编剧；同年，领衔主演蔡尚君导演的剧情电影《红色康拜因》，在片中第一次尝试演绎与自身性格和生活经历不同的角色。

2008年，主演喜剧喜剧电影《时尚先生》饰电脑高手符迦宁；5月21日，领衔主演根据阿美的小说《李爱和海丽的故事》改编的电影《牛郎织女》上映，影片入围第61届戛纳电影节“导演双周”单元；10月28日，领衔主演的中国、法国、荷兰共同拍摄电影《海上梦境》上映。

2009年7月23日，主演的讲述男同性恋题材电影《无声风铃》上映，吕聿来凭此获第四届华语论坛新锐男演员奖，并在马德里电影节中获得“最佳男演员奖”；同年，主演悬疑喜剧《非常秀》。

2010年，凭借主演的文艺电影《无蝉的夏天》获得第17届北京大学生电影节最佳电视电影男演员奖；11月11日，主演的文艺电影《东风破》上映，并参加了金马国际电影展。

2011年，与黄璐主演剧情电影《这里，那里》，在片中饰演饭馆服务员国光；同年，领衔主演取材渑池真人真事的爱情电影《留驻桃花塬》。

2012年11月29日，出演陆川执导的历史题材电影《王的盛宴》上映。2013年4月，受邀出席第十届法国电影展映开幕酒会；9月1日，主演的电影《水印街》在威尼斯电影节“国际影评人周”单元首映；11月8日，主演张元执导的爱情电影《有种》上映，影片入围多伦多电影节“先锋电影”展映单元；同年，与张馨予领衔主演反商业犯罪电影《银战》；同年，吕聿来导演处女作、研究生毕业作品《东东》被选入第18届釜山国际电影节WorldPremiere单元和WideAngle短片竞赛单元。

2014年，参演卢庚戌执导的青春电影《怒放之青春再见》；6月24日，领衔主演的爱情轻喜剧电影《简装男神》在浙江宁波开拍，吕聿来在片中饰演老实巴交的都市小白领唐小尼；12月31日，出演的悬疑电影《谁是卧底之王牌》上映；同年，在纪念南京大屠杀的电视剧《四十九日·祭》中饰演身处抗日局势的动荡年代教堂内的落魄厨师。

2015年1月23日，参演的青春惊悚电影《怪谈》上映，在片中饰演唐伟；与贡米联合主演西部支教励志电影《大漠青春》，在片中饰保定学院毕业生田英普；8月，与张馨予、徐海乔共同主演超级玄幻剧《昆仑阙之前世今生》；9月18日，主演的抗日为题材电影《穿越硝烟的歌声》在邵东首映，在片中饰演湖南邵阳籍大音乐家贺绿汀。

2016年，出演悬疑惊悚爱情电影《妖医》上映，在片中饰演心理医生沙青。

2017年，主演惊悚悬疑电影《惊悚小说》；2月，吕聿来首次执导、爱奇艺出品的长片电影《桃源》，该片由耿乐、齐溪主演，于2019年9月获得西班牙荔枝电影节“最佳导演奖”奖项；7月，主演的电影《淡蓝琥珀》在重庆杀青。

2018年，与刘畅、陈小纭、陈昊宇、赵阳等人主演悬疑科幻网络剧《失踪人口》，同年12月17日，与王真儿主演的悬疑文艺电影《淡蓝琥珀》上线。

2020年，执导的电影《扫黑·两面人》正式开机。8月19日，主演的电视剧《摩天大楼》在腾讯视频播出，剧中饰演谢保罗。10月，参演的电影《平原上的摩西》发布先导预告片，将于2021年上映。