2005年7月,出演由
李惠民执导的古装武侠剧《
长剑相思》;11月,参加第二届国际航空小姐大赛的形象大使的评选;12月,与
周迅、
金城武合作出演爱情电影《
如果·爱》。2006年4月,出演都市爱情剧《
美丽新天地》;8月,出演由
张国立执导的喜剧电影《
第601个电话》;10月,与
秦岚、
黄少祺合作出演民国剧《
第一茶庄》。
2008年,与
晨阳合作主演都市职场电影《
金色外滩》;11月,与
郑元畅、
林依晨合作出演偶像剧《
我的亿万面包》,在剧中饰演漂亮而又优雅,个性坚强的小公主叶可娜。2009年,出演由
马鲁剑执导的民国情感剧《
风雨雕花楼》,在剧中饰演纠缠于大家族史与跨年代苦恋之中的杜小兰。
2010年5月,与
吴建飞 、
刘述合作主演谍战电影《
澳门往事》,在片中饰演澳门当地的大家闺秀周侬静;9月,出演由
刘伟强执导的动作电影《
精武风云·陈真》,在片中饰演上海学生领袖秋婷。
2011年6月,与
李冰冰、
全智贤合作出演剧情电影《雪花秘扇》,在剧中饰演百合的贴身婢女勇刚,因没有裹脚还被称为“大脚勇刚”。
2016年,主演由
李非执导的喜剧电影《
命运速递》,在片中饰演一位梦想破灭的女演员琴初九;7月,与
杨奇鸣、
蔡文静合作出演悬疑网剧《
灭罪师》。
2018年4月,参演青春校园剧《
忽而今夏》,在剧中饰演理科二班班主任英语教师林老师;6月,与
宋宁峰合作主演剧情电影《
一日父子》;8月,参演黄渤“HB+U”计划首部电影《
怒水西流》;9月,主演奇幻喜剧电影《
再见汪先森》;12月,凭借电视剧《白夜追凶》,获得中国国际青年电影展网络剧最佳新人奖。
2019年11月,出演都市情感悬疑剧《
白色月光》,在剧中饰演飒爽独立的好闺蜜赵佳琪;12月,在悬疑剧《
迷雾追踪》中饰演绝望的母亲任静。
2020年,主演女性职场剧《
她和她们的故事》;9月16日,出演的电视剧《
沉默的真相》播出,在剧中饰演任玥婷;11月6日,出演的年代剧《
隐秘而伟大》播出,在剧中饰演周明佩;12月18日,主演的文艺电影《
一日父子》在全国上映,她在片中饰演婚后多年未育子女,内心敏感的梅月。
2022年1月18日,主演的冒险悬疑剧《
淘金》播出;2月7日,特别出演的女性职场剧《
盛装》于东方卫视播出;5月10日,与
欧豪、
王景春主演的刑侦悬疑推理剧《
对决》播出;6月,出演环保司法剧《
江河之上》。9月23日,参演的电视剧《
焕羽》开机。10月12日,参演的电视剧《黄雀》开机。12月20日,参演的电影《
敦煌英雄》择日上映;11月17日,主演的都市医疗剧《
非凡医者》播出;12月,参演电视剧《黄雀》。
2024年1月9日,主演的电视剧《侦察英雄》在浙江卫视、北京卫视、优酷、腾讯视频、爱奇艺同步播出。3月11日,主演的电视剧《
江河之上》播出。5月28日,主演的网剧《
盲点》开机。9月,出演的网剧《回来的她们》。
吕晓霖凭借其细腻的演技,将网剧《白夜追凶》中的法医高亚楠一角诠释得深入人心,不论是做尸检还是还原案发现场,都被其表现的极其专业、理智;同时她也凭借自己的实力,将剧中专业又拗口的台词,清晰、顺畅的为观众展示在荧屏上。吕晓霖在出席活动时,以一袭黑色拽地长裙,展现出了其优雅却不失灵动,大气而又柔美的气质。而在拍摄写真时,她身穿黑色外套,搭配白色衬衣,露出性感的锁骨,眼神坚定而又霸气,尽显知性熟女的风范。(凤凰网、新浪网、网易评)