2006年，参加新丝路中国模特大赛，获得男模组的亚军。

2013年3月，获选参演杨幂制作的都市青春偶像剧《微时代》，饰演高富帅王子应冬，并参与合唱片尾曲《我们的时代》；同年签约嘉行传媒 ；7月至10月，与杨幂、李易峰、乔振宇等出演古装仙侠剧《古剑奇谭》，在剧中饰演曾是风广陌的浪子尹千觞。

2014年1月，参演于正工作室出品的古装爱情剧《班淑传奇》，在剧中饰演左贤王；3月20日，推出由午马执导的惊悚电影《化妆师》，在片中饰演神鬼不惧的高俊。3月至7月，拍摄都市爱情剧《爱的阶梯》，在剧中饰演楚耀辉；10月，与黄宗泽、陈乔恩等出演民国青春偶像剧《偏偏喜欢你》，在剧中饰演军校学生杜枫，同时接拍古装玄幻剧《山海经之赤影传说》，在剧中饰演贵公子宾翊。

2015年1月至5月，参演古装仙侠剧《蜀山战纪之剑侠传奇》，饰演蜀山派大师兄丹辰子；同年6月，在现代剧《翻译官》中饰演雅痞医生高家明；10月至11月，搭档迪丽热巴、张云龙主演喜剧电影《傲娇与偏见》。

2016年10月，在动作电影《惊天破》中与刘青云、谢霆锋合作，扮演冷酷而又有着柔情一面的杀手“将军”。

2017年1月30日，与杨幂、赵又廷、迪丽热巴合作主演的古装仙侠爱情剧《三生三世十里桃花》上星播出，他在剧中饰演了心系四海八荒太平的东华帝君，该剧播出后以双台平均破一的成绩取得了全国同时段电视剧收视冠军，其全网播放量在播出期间便逼近了300亿次，高伟光个人也因此得到更多观众的认识；2月，参演“亮剑”系列第三部《亮剑3之雷霆战将》，他在剧中饰演川军名将郭勋魁。

2018年5月，与潘粤明、辛芷蕾等合作主演了电视剧《鬼吹灯之怒晴湘西》，在剧中饰演鹧鸪哨。6月18日，参演的古装励志剧《扶摇》登陆浙江卫视，高伟光在剧中饰演烈王战北野。同时，与迪丽热巴搭档主演古装玄幻言情剧《三生三世枕上书》，并在剧中再度饰演太晨宫尊神东华帝君。2019年10月18日，主演的电视剧《向阳而生》在杭州举办开机仪式。