2002年，3岁的吴磊获邀接演了某保健品广告，这是其第一个广告。由于他活泼可爱，因而被广告导演相中，此后两年内接连拍摄了50余部广告，从而启发了他的表演天分。后来吴磊在艺校上培训班时，碰到《封神榜之凤鸣岐山》剧组来选小演员，然而剧组只找了高年级的小孩，这让吴磊很焦虑，于是他自己偷偷溜出班，毛遂自荐要副导给他也拍两张照片看看，结果就被选上了，吴磊由此进入了演艺圈。

2018年4月13日，吴磊以总分成绩456分，表演专业92.85分考取北京电影学院。

2006年9月，吴磊参演的古装剧《少年杨家将》播出，他在剧中饰演了幼年时期的杨六郎。2007年2月6日，吴磊出演的神话剧《封神榜之凤鸣岐山》在中央八套播出，他在剧中饰演了小哪咤。

2008年8月，参演魔幻武侠剧《魔剑生死棋》；10月，他还参演民国情感剧《顺娘》。

2009年4月7日，在年代悬疑情感剧《深宅》中饰演富家少爷乔伟；7月，主演了科幻情景喜剧《家有外星人》，并在剧中饰演淘气、活泼却又不乏沉稳与早熟的唐不苦；11月，在民国年代剧《娘妻》中饰演童年时期的高耀宗；同年，他还主演家庭片《川川和洋洋》，并在片中饰演洋洋。

2010年6月，在民国爱情剧《谁知女人心》中饰演喜儿。2011年，吴磊主演了真人版儿童情景剧《淘气包马小跳》，并在剧中饰演聪明与机智的马小跳；10月17日，在家庭伦理剧《团圆》中饰演童年刘士文；同年，他还出演了科幻剧《乌托邦办公室》。

2012年6月，吴磊主演的武侠剧《自古英雄出少年》首播，他在剧中饰演了官家子弟邵扬。

2013年5月6日，其主演的科幻家庭剧《我的妈妈是天使》播出，他在剧中饰演了智障儿姜小强；6月，吴磊参演的家族悬疑剧《娘心》首播，他在剧中饰演一人分饰两角，分别饰演了少年天成和王明辉；随后，参演古装神话剧《蓬莱八仙》；9月，在情感剧《说好不流泪》中饰演冷天佑；同年，他还参演了爱情剧《红轿子》。

2014年12月，在古装武侠剧《神鵰侠侣》中饰演少年时期的杨过。

2015年5月3日，作为固定嘉宾加盟趣味代际对抗益智节目《好好学吧》，他在节目中担任守擂队长；6月16日，其主演的古装跨次元互动网剧《仙剑客栈》在优酷首播，吴磊在剧中饰演了余杭镇资深店小二李逍遥；7月7日，与胡冰卿、杨洋合作主演了青春励志剧《旋风少女》，并在剧中饰演平时样子懒散、实则深藏不露的松柏道馆的师兄胡亦枫；9月19日，与胡歌、刘涛、王凯等人共同出演的古装谋权剧《琅琊榜》播出，其在剧中饰演心智不全但武功奇高的护卫飞流，吴磊还凭藉该剧获得爱奇艺之夜最受欢迎新人及国剧盛典最具潜质演员奖；随后，他还搭档陈乔恩主演魔幻3D电影《奇蹟：追逐彩虹》；11月29日，吴磊参演的古装武侠剧《秦时明月》首播，其在剧中饰演秦末代皇帝子婴。

2016年1月22日，以固定嘉宾的身份加盟真人秀节目《二十四小时第一季》；3月1日，与朴海镇、李菲儿合作主演的都市爱情偶像剧《远得要命的爱情》首播，他在剧中饰演单亲少年孟响；3月20日，与张翰、古力娜扎共同出演的《山海经之赤影传说》播出，他在剧中饰演了活泼调皮鬼点子的土豪神仙石佩佩；随后，主演3D喜剧《大闹东海》；7月20日，继续主演青春励志剧《旋风少女第二季》。

2017年1月3日，吴磊领衔主演的古装奇幻剧《奇星记之鲜衣怒马少年时》首播，他在剧中饰演了半人半魔的少年英雄展雄飞，该剧在收官时播放总量超13亿；随后，搭档林允主演改编自天蚕土豆同名小说的古装玄幻剧《斗破苍穹》，并在剧中饰演天资聪颖、毅力惊人的萧炎；2月3日，继续加盟真人秀节目《二十四小时第二季》；3月，加盟剧情片《影》；5月5日，以固定主持的身份加盟原创文化探秘类节目《七十二层奇楼》；9月30日，其主演的动作影片《极致追击》上映，他在片中饰演精通各种高端科技的天才少年唐叮噹；同年，他还领衔主演探险题材剧《沙海》，并在剧中饰演探险关键人黎簇。

2018年，他主演了奇幻片《阿修罗》，并在片中一人分饰两角，分别饰演了人界牧羊少年如意和阿修罗王的洞察之头；7月，季播剧《沙海》播出，腾讯视频累计网路播放量突破50亿；9月，《斗破苍穹》网台同播,截止收官全网播放量突破47.8亿；同年，张艺谋作品《影》上映，吴磊出演少年武将杨平。

2019年2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，吴磊与秦岚、江疏影、景甜、王俊凯、王源、易烊千玺演唱歌曲《我们都是追梦人》。

2009年，吴磊以小班长“喜羊羊”的身份参与公益节目《开学第一课》的录製。

2013年7月23日，出席#给孩子送个玩具#公益项目发布会，希望用实际行动为中西部偏远地区及农村留守儿童同伴们募集爱心玩具。

2016年5月24日，吴磊受周迅公益团队的邀请，以onenight第二位明星志愿者身份与周迅一同在北京一所孤残儿童医疗救治康复机构做公益直播探访，两人线上直播的礼物收益由直播平台全部捐赠给“ONE NIGHT给小孩”公益项目，用于帮助残障儿童的成长与发展；7月16日，与众多嘉宾一起参加“ONE NIGHT给小孩” 关爱残障儿童公益演唱会。

2017年9月1日，吴磊再次参与公益节目《开学第一课》，并演唱主题歌《第一课》和《梦想开始的地方》；与此同时，他还零片酬出演公益广告《一书一世界，阅快乐阅青春》，意在呼吁全民阅读经典，倡导青少年快乐阅读；10月7日，以演艺明星的身份受邀参加NBA中国赛助阵比赛，并与球员进行亲密互动，同时他还加入杜兰特战队参加比赛，关键时刻投入决胜球助攻赢得胜利；10月8日，在NBA球迷日中吴磊全程在场边观战为偶像加油助威；12月23日，吴磊为家乡的孩子们捐赠了一座“三石阳光童趣园”，同时他还拿起电钻搬起木板，亲自参与搭建，希望用爱回馈社会。

2018年8月底，第二座“三石阳光童趣园”在云南省某山区幼稚园建成，这是吴磊为孩子和老师们送去的开学礼物，也是他给步入新阶段的自己的一份纪念礼；10月12日，吴磊出席芭莎明星慈善夜，为“课后一小时”公益项目助力，并作为嘉宾助力艺术品拍卖；10月13日，吴磊作为宣传大使和节旗交接仪式旗手出席第五届丝绸之路国际电影节，身体力行为丝路精神和电影文化的发扬贡献自己的一份力量；12月，吴磊赶赴海南省白沙黎族自治县，参与由电影频道节目中心主办的大型公益项目“脱贫攻坚战——星光行动”。活动中，吴磊亲自对当地的全域旅游发展和传统橡胶产业创新进行了调研，并身体力行参与对当地的宣传和推广，呼吁更多人参与到“脱贫攻坚战”的行动中来，为脱贫攻坚贡献自己的力量。

吴磊个人形象阳光健康、积极向上，在多部影视剧中塑造多个不同的角色形象，在演艺生涯上依靠影视剧和综艺收穫观众（网易娱乐评）。

吴磊6岁进入演艺圈，多年来精湛的演技和低调的行事作风让他赢得了圈内外的一致好评。除了演技得到前辈们的肯定，吴磊在综艺中的表现也让有过两次合作的艺人也讚不绝口（新浪网评）。

从《封神榜》中灵气可爱的小哪咤，《淘气包马小跳》中调皮机灵的马小跳，到《琅琊榜》中的忠心耿耿的小飞流，《秦时明月》中忍辱负重的子婴，吴磊将一个个人物演绎的恰到好处，每一个角色都充满灵气。童星出身的他已出演过近60部作品，从小到大不仅有着帅气的外表，而且塑造了很多经典形象，将各种情感驾驭精準（凤凰网评）。