2002年4月初，经过周迅推荐，主演李少红执导的电影《恋爱中的宝贝》，并 凭借获得第5届华语电影传媒大奖最佳新演员提名。

2003年在参演电视剧《买办之家》，饰演“小井”。

2004在电视剧《名扬花鼓》中饰演“朱棣”，在电视剧《长剑相思》中扮演秦捕头“秦照”，同年在徐静蕾导演的电影《一个陌生女人的来信》中扮演“军官”。

2005年与杨恭如联袂主演电视剧《风吹云动星不动》，饰演男主角”齐彻“。

2006年与刘烨、左小青联合主演电视剧《一针见血》，首次出演了一个反派，在剧中扮演一个胆小、懦弱的小流氓刘长江。

2008年播出的悬疑情感剧《破茧而出》扮演大反派——复仇心切的律师”翟仁伟“。

2009年3月14日播出的电视剧《倾城之恋》中饰演“范柳原”，同年与范冰冰共同主演电影《麦田》，扮演逃兵“暇”。

2011年6月15日上映的电影《建党伟业》中饰演“李达”。2012年播出的电视剧《苍天圣土》担任男一号——爱国志士“易君恕”。

2013年3月8日上映的电影中《萧红》中出演萧红一生最爱的男人“萧军”，并凭借此电影获得第五届中国电影导演协会年度男演员提名和第20届北京大学生电影节最佳男演员提名。同年与徐静蕾、郭富城等人出演电影《越来越好之村晚》，片中扮演一个自称是“游走在娱乐圈”的粉丝头子。同 年出演黄宏执导的抗震救灾电影《倾城》，并凭借此电影获得第29届中国电影金鸡奖最佳男主角提名和第20届北京大学生电影节最佳男演员提名。

2014年5月16日，李妮执导、刘一煊编剧的电影《第一眼爱情》电影播出，黄觉扮演“肖志远”。10月21日携手南笙主演优酷出品、啼声影视合力打造的都市奇幻单元剧《奇妙世纪》，剧中饰演心理医生章文。

2015年参演电影《师父》。同年10月1日出演年代情感剧《我是你的眼》，剧中饰演下乡知青陈实。同年主演电视剧《爱情万万岁》。

2016年，与颜丹晨合作的都市青春励志电视剧《好想好想爱上你》播出。加盟都市情感剧《幸福有配方》。参演剧情长片《追·踪》。参演红色经典剿匪剧《林海雪原》，饰演关毅忠。

2018年参与拍摄的电影《迷妹罗曼史》，12月31日，与汤唯合作主演的电影《地球最后的夜晚》上映，黄觉在片中饰演男主角罗紘武。

2019年4月30日，其主演的剧情电影《雪暴》上映；6月14日，与白百何、吴刚等合作主演的电影《妈阁是座城》上映；10月，主演电视剧《不完美的她》；12月13日，出演的电影《被光抓走的人》上映。