2005年，任东霖与张晨光、杜雨露、张子琪出演由郭少雄执导的古装历史剧《夜来风雨》，在剧中饰演明孝宗朱佑樘之子武宗朱厚照，并演唱主题歌《换心》；同年，任东霖与吴倩莲、张铁林、沈傲君出演古装历史剧《北魏冯太后》，在剧中饰演李彪。

2006年，出演刘佩琦、吴军、张子琪主演的家庭悬疑剧《血有多浓》，在剧中饰演薛东霖。2007年，任东霖与杜淳、高圆圆、刘德凯出演由赖水清执导的清末民初爱情剧《爱无悔》，在剧中饰演高家少爷高德智；同年，演唱电视剧《大旗英雄传》的主题曲《一滴泪》。

2008年，任东霖出演袁立、郭珍霓、佟丽娅主演的古装历史剧《母仪天下》，在剧中饰演历史上有名的汉成帝刘骜。2009年，与黄晓明、王珞丹等联袂出演商战情感剧《暗香》，在剧中饰演黄晓明的侄儿皮皮；同年，他与林心如、文章、柯叔元等联袂出演由李保平、丁仰国联合执导的都市情感剧《爱在日月潭》，在居中饰演傅康林；之后，与明道合作古装神话剧《嫦娥》剧中，他首次饰演一个纯粹的大反派。

2010年，与贾一平、张光北、马伊琍出演商战史诗剧《经纬天地》，在剧中饰演一个重情重义为了朋友两肋插刀的秦少杰。随后，与贾一平、张光北、王媛可联袂主演由黄建中、钟少雄联合执导的电视剧《远期的合约》，在剧中饰演小海；同年，与巩峥、陈丽媛、文梦洋联袂主演由浙江海纳影视制作公司出品的都市爱情剧《爱情可以有》，在剧中饰演钱啸。

2011年，参演张恒、韩青、谢君豪主演的民国抗战剧《血雨母子情》，在剧中饰演邢天；同年，与范明、郭珍霓、姚笛等出演由中央电视台、浙江华策影视股份有限公司联合出品的清代古装判案剧《施公案》，在剧中饰演单元剧《天水间》中心狠手辣草菅人命的反派人物满族贝勒德荣。

2012年，与张玉嬿、张晨光、陈紫函、田丽主演的情感剧《妈妈你在哪里》拍摄中，任东霖这次在剧中和张晨光饰演一对父子，这是续《夜来风雨》后再度合作，但是任东霖和张晨光对戏丝毫不紧张。任东霖在剧中扮演的洪子昂是一个十分痴情的人；同年，与胡亚捷、何赛飞、何琳等联合主演的家庭情感剧《那金花和她的女婿》，在剧中饰演二女婿任仲明，是一个讨好谄媚的小男人。

2013年，任东霖与毛林林主演时尚茶文化题材电视剧《茗定今世缘》，该剧以“茶”字为中心，讲述了天茗茶府和清远茶庄两大茶商家族纠葛几代的纷纷扰扰；随后，主演由张孝正执导的偶像剧《叫我灰姑娘》，在剧中饰演富二代张摩西；同年，与陈昭荣、马德钟、杨婷婷、李芳雯主演由台湾导演张孝正执导的电视剧《匹夫英雄》，任东霖一改往日荧屏形象，在剧中饰演性格沉稳内敛的土匪首领季风。

2014年，参演吴秀波、姚晨、张萌、方中信主演的现代都市爱情剧《离婚律师》，在剧中饰夏芳草和顾威的婚礼主持人。2015年，参演由上海新文化传媒集团股份有限公司出品的年代情感剧《两个女人的战争》，在剧中饰演牛成国；随后出演近代革命电视连续剧《暗战危城》；同年8月出演由海润影视有限公司的年代悬疑电视剧《秘密的背后》，在剧中饰演野心检察官崔俊杰一角。

2016年9月，任东霖与张博、徐百卉合作主演的知青情感剧《遥远的距离》首映。2017年7月，任东霖出演由沈严执导的都市情感剧《我的前半生》首映，在剧中饰演李睿。10月，主演的与张翰、贾青、姚卓君等合作主演的年代传奇剧《传奇大亨》首映。2018年8月，任东霖与唐曾、端木崇慧合作主演抗战剧《夺金战》，并在北京电视台首映。

2019年3月，参演由王子鸣、黄天仁执导的都市情感励志剧《只为遇见你》在芒果TV、优酷视频播出，他与张铭恩、文咏珊、魏千翔、汤梦佳等人合作；5月，由任东霖、乔乔、郭广平、姜丽芬共同主演的电影《又是一春梨花白》在院线上映，他在片中饰演梨花的青梅竹马马思成。

2020年2月26日，与叶静、缪婷茹、黄俊鹏等共同主演的抗战历史剧《奋勇向前》在山东齐鲁频道首播，他在片中饰演鞠小四。该剧取材自真实历史事件“徂徕山抗日武装起义”。