1997年出演电影《离婚了就别再来找我》。

1998年参与拍摄电影《布拉格有张床》。

2000年参演电影年《冲天飞豹》，合作演员胡军。

2002年，参与拍摄电影《离婚了就别再来找我》。同年参演电视剧《刑警故事》，之后参演电视剧《猎豹出击》。

2006年电视剧《刀锋1937》导演郭靖宇，饰演唐维特，是孙红雷的拜把兄弟。同时出演电影《绿帽子》，与廖凡合作。

2007年参与主演电影《我的实习生活》，开始受到关注。

2008年参演电影《一半是海水，一半是火焰》，在这部根据王朔同名小说改编的电影里扮演一位重情重义的角色郑重。同年参演《高兴》，扮演黄八。

2009年，参与拍摄电影《荒村公寓》，出演一名私家侦探，与“表弟”余文乐一起到荒村古宅中探秘。

2010年，参与拍摄由阿甘执导，亚洲首部全片3D立体电影《唐吉可德》。

2011年电视剧《风声传奇》，饰演一位别样感觉的军统处长“王田香”。同年参演电视剧《红妆》，海一天饰演正义医生陈少凯。

2013年，海一天出演央视黄金档家庭温情剧《有你才幸福》，剧中与老 戏骨李雪健合作饰演儿子祺满雨；高满堂编剧新作《工人大院》中的艺术工人“张劲松”；郑晓龙、刘心刚执导的电视剧《女人帮》中的庄森，一个多金浪漫的男人。7月，参与拍摄抗战题材电影《正骨》，海一天在影片中扮演一个日本军官东川矢菊。

在2014年底播出的由蒋家骏、查传谊联袂执导的历史风云电视剧《风雷急》中扮演角色郑仕森，则是一个阴险的大反派。同年在3D魔幻电影《西游记之大闹天宫》中，扮演“仙界导师”菩提老祖。出演电视剧《二十四道拐》饰演刘显龙。12月，参与拍摄京味情感伦理剧《傻柱》；12月23日，参与拍摄的电影《智取威虎山》上映。

2015年，参演电视剧《封神》，在剧中饰演申公豹。

2017年，参演的古装剧《凰权·弈天下》，在剧中扮演天盛王朝太子宁川。同年，参演谍战剧《脱身》，饰演保密局姜科长。

2018年，参演电视剧《欲望之城》，饰演廖长亭。参演电视剧《庆余年》，饰演监察院一处主办朱格。同年，出演电视剧《芝麻胡同》，饰演吴友仁。主演电视剧《警官王快乐》，饰演男一号王快乐。8月，参与北京卫视王牌综艺《跨界喜剧王》。10月，主演又叶大鹰执导的电影《大鳄之门》；11月，主演建国70周年献礼电影《为国而歌》，饰演张润武。

2019年，海一天主演公安缉毒题材电视剧《勇者无惧》。