1988年，车胜元成为模特，并由此进入演艺圈。1995年，出演首部电视剧《风之歌》。1997年，参与拍摄首部电影《汉城假日》；同年参演了电视剧《纽约故事》  。

1998年，主演由李光勋执导的爱情电影《赤色人鬼恋》。1999年，参与拍摄电影《加油站袭击事件》；同年与宋承宪 、李美妍、裴斗娜联袂主演SBS电视剧《爱情故事》  。

2000年，与金秀路、刘智泰、金圭莉共同主演了枪战片《烈火焚城》（又名《Libera Me》）  。2001年，车胜元主演了金尚镇导演的喜剧片《新罗月夜》，该片以400万的观影人次成为“韩国年度十大卖座电影”  。

2002年，主演的喜剧片《光复节特赦》在韩国的观影人次超过307万，成为“韩国年度十大卖座电影”  。

2003年，车胜元主演了学校题材的影片《老师你好》，该片在韩国的观影人次达到240万；之后与权相佑、金敏贞合作主演爱情电影《X计划》  ；同年车胜元凭借《保镖》获得KBS演技大赏最优秀演技赏，凭借《光复节特赦》获得第39届百想艺术大赏最佳男演员奖  。

2004年，车胜元在金尚镇执导的喜剧鬼片《幽灵鬼屋》中扮演一位能够看到幽灵的男人；同年友情出演李志勋、廉晶雅主演的电影《女老师VS女学生》  。

2005年，车胜元一改喜剧路线，主演了金大胜执导的悬疑片《血之泪》；同年与申河均、金智秀、柳承龙共同主演悬疑电影《请在鼓掌的时候离开》，饰演性格火爆的检查官崔延奇。2006年，车胜元主演了爱情片《国境的南边》  。

2007年，车胜元在电影《儿子》中第一次挑战父亲的角色  ，并且凭借剧中塑造的强植一角获得第15届春史大赏男子优秀演技赏；同年，车胜元参与拍摄了张圭成执导的喜剧片《郡守与里长/里长与郡守》，该片于2007年3月29日在韩国上映  。

2008年，车胜元拍摄了郭景泽监制的动作片《有仇必报》（又名《以牙还牙》），扮演兼备冷静头脑和大胆行动力的天才罪犯安玄珉；截至2008年12月，《有仇必报》在韩国的观影人次超过了250万，成为“韩国年度十大卖座电影”  。

2009年，车胜元再次回归电视剧领域，在SBS水木剧《市政厅》中饰演梦想当总统的仁州市副市长祖国，此剧从首播到结束，收视率在同时段播出的水木剧中一直排在第一位  ；8月，与黄正民、韩智慧、白成铉共同主演李俊益执导的古装片《冲破云层之月》；11月，车胜元接拍了战争电影《到炮火中去》  。

2010年3月，主演SBS电视剧《雅典娜：战争女神》，饰演恐怖组织“雅典娜”的首领孙赫  ；6月16日，车胜元主演的战争片《到炮火中去》在韩国上映，该片上映19天后观影人次突破了240万  。

2011年，与孔孝真、尹启相、刘仁娜共同主演MBC水木剧《最佳爱情》，饰演性感、体贴的男明星独孤真，凭借该剧车胜元获得2011年MBC演技大赏男子迷你剧系列最佳男主角奖  。

2012年，与郑雨盛、秀爱、金民钟联袂主演动作电影《雅典娜：无间谍局》，饰演美国情报局东亚分部的部长孙赫  。2013年，主演张镇导演执导的动作电影《高跟鞋》  。

2014年，与李胜基、高雅拉、安宰贤共同主演SBS水木剧《你们被包围了》，饰演刑警组组长徐判锡  。

2015年，与刘海镇、孙浩俊共同出演1月23日开始播出的《三时三餐》渔村篇第一季。同年，与李沇熹、金载沅、徐康俊共同主演4月13日首播的MBC月火剧《华政》，饰演朝鲜王朝第十五代君主光海君  。10月9日继续参演10月9日起播出的《三时三餐》渔村篇第二季。

2016年，出演7月1日首播的《三时三餐》高敞篇，8月出演康佑硕导演执导的电影“古山子：大东舆地图”， 饰演朝鲜地理学家金正浩。

2017年，出演李海英执导的电影《毒战》，在片中饰演与警方合作的贩毒组织成员  ；12月，出演电视剧《花游记》  。

2018年，出演李海英导演执导的电影《加油,李先生》。

2019年2月出演TVN综艺《西班牙寄宿》，同年3月播出，共11集。

2019年，出演灾难电影《地陷  》。同年，客串第77届威尼斯国际电影节非竞赛单元的邀请作品电影《乐园之夜  》。

2020年，出演《三时三餐》渔村篇5  。

2021年，与金秀贤合作出演由英国BBC《CRIMINAL JUSTICE》改编的电视剧《某一天》  。