2012年，邓伦被琼瑶选定，参演李晟、张睿主演的青春爱情励志电视剧《花非花雾非雾》，饰演暗恋白梦华的同事徐浩，与杨紫饰演的白梦华被称为“完美恋人”。

2013年10月，与海陆、邱泽合作的爱情偶像电视剧《超级灰姑娘》杀青，邓伦在剧中饰演杜齐花的弟弟杜齐天一角。

2014年3月，再次与李晟合作，参演民国电视剧《新京华烟云》，饰演姚木兰的弟弟姚迪非。同年，邓伦还参演了都市情感喜剧《爱情上上签》，饰演长相白净、性格腼腆、不善社交的工商管理专业毕业生孙小飞，这是邓伦首次作为男一号出演电视剧。

2015年邓伦与朱丹合作出演《待嫁老爸》，饰演的苏达与朱丹饰演的苏简是同父异母的姐弟，为帮助姐姐获得真爱，苏达一路为姐姐保驾护航。

2015年出演《封神》，在剧中饰演狐妖。 同年参与拍摄《白鹿原》，在剧中饰演鹿兆海。

2016年出演都市青春偶像剧《十五年等待候鸟》， 邓伦饰演原著中人气极高的高冷系男神柳千仁，对孙怡饰演的女主角黎璃由恨生爱，开启了一段长达十五年的暗恋故事。参演电视剧《燃情大地》正在上海等地拍摄中。主演电视剧《因为遇见你》 。参演励志偶像剧《毕业季》 。

2017年1月，与吴磊、林允合作主演古装武侠剧《斗破苍穹》 ；2月，主演民国情感剧《海棠经雨胭脂透》 ；3月，与孙怡三度合作主演的都市情感励志剧《因为遇见你》播出 ，在剧中饰演逗痞浪荡却是身负正义与责任的律师李云恺；4月，确定主演古装神话剧《香蜜沉沉烬如霜》，在剧中饰演天帝之子旭凤。

近日，因在新上映的《欢乐颂2》中和剧中的关雎尔组成一对高颜值CP，而受到大家的广泛关注。