2012年，完成了个人首部电影作品，在体育励志电影《阿米·走步》中饰演了男二号贡布，从而正式进入演艺圈；同年，参演韩承羽、海陆、曾恺玹，周孝安主演的青春校园励志剧《水男孩》，在剧中饰演游泳队队员阿丁；之后，他还参演了年代剧《乱世书香》。

2013年，担任吴莫愁《不请自来》MV的男主角；同年，参演张国强、斓曦、张汇仓、孙骁潇主演的抗战剧《英雄戟之影子战士》，在剧中饰演英俊帅气且重义气的“铁血东北虎”老八。2014年，在微电影《神雕侠侣之天下无双》中饰演桃花岛岛主黄老邪。

2015年3月7日，其参演的警匪剧《秘密追踪》播出，在剧中饰演“贼公子”吴达；3月16日，与禹童、经超、梁大维共同参演的科幻悬疑剧《执念师》首播，在剧中饰演高冷帅气的未来联盟修复师孔念之；4月10日，与雷牧、张沐莀、郑中玉联合主演的都市校园剧《我的老师是传奇》播出，在剧中饰演帅气俊朗、青春坦率的飞车党二当家叶小白；同年，与李岷城、吕红旭、潘春春联袂主演惊悚悬疑电影《撕名牌杀戮事件》；此外，他还在古装电影《卢俊义生擒史文恭》中饰演了资禀聪明的燕青。

2016年5月6日，与侯天悦、杨彤、荣梓希联袂主演的爱情喜剧电影《男神抱抱》（原名《无敌奶爸》）上映，在片中饰演外形高大、壮硕的富二代洪天霸；6月29日，与陆路、邢菲、金瀚联合主演的青春校园网络剧《校园篮球风云》播出，在剧中饰演篮球队突破型球员项杰；同年，与黄胜楠、金尤美、刘李优优、余铭轩联袂主演爱情喜剧电影《王牌游戏之婚前夜》；随后，与田牧宸、苏菲、解子腾合作主演惊悚电影《我的灵界女友》，在片中饰演温暖体贴的公司总裁韩正杰；10月9日，与王妍搭档主演的都市悬疑电影《毒语者之毒奏》上映，在片中担纲男主角，饰演神秘冷酷的科学怪才西河百部；此外，他还主演了都市喜剧《脑洞大开之九州幻想》。

2017年1月6日，与曲桐雨、李秉润、陈龙联袂主演的青春励志爱情电影《我们的青春不怕疼》上映，在片中饰演随性、阳光但自负的尚天；4月13日，与任然搭档主演的爱情喜剧电影《神兽男友驯服记》上映，在片中饰演个性霸道赖皮、机智幽默的男主角陈希；随后，与张铎、李佳璇合作主演改编自紫金陈的小说《高智商犯罪》的犯罪悬疑剧《谋局》，在剧中饰演充满活力的刑警张一昂；7月15日，与陈世承、范少勋领衔主演的青春校园喜剧电影《东北插班生》上映，在片中饰演一身痞气、爱出风头且不知收敛的男主角王虎；之后，主演刘海亮执导的系列古装电影《封魔纪》，在片中饰演男主角杨戬；此外，他还主演了奇幻电影《迷失的晴明》，在片中饰演法力高强的平安时代大阴阳师安倍睛明。

2018年1月24日，与陈昊森、王宣、张殿伦共同主演的青春校园喜剧电影《东北插班生2虎啸风生》正式杀青。

2021年4月15日，史元庭参演的电影《草原上的搏克手》在CCTV6电影频道播出。