2007年1月,与钟夫翔、保剑锋合作出演武侠喜剧《青天衙门》;2月,参演由堀川敦厚执导的人物剧《李香兰》 ;6月,出演由张一白执导的爱情电影《夜·上海》;7月,与吴奇隆、范文芳等出演神话剧《聊斋奇女子》 ;8月,出演动作电影《天堂口》 。
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” 。
2012年3月,与秦昊、莫小奇合作出演励志电影《下一个奇迹》 ;7月,与黄奕共同主演公益类题材的微电影《交换》 。
2017年,与潘粤明、王泷正等合作主演悬疑推理剧《白夜追凶》,在剧中饰演认真专业的法医高亚楠[10-11] 。
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[23-24] 。
2021年7月9日,参演的电影《再见汪先森》上映 ;9月,主演的都市医疗剧《非凡医者》正式开机 ;参演电影《门锁》。
2017年12月,吕晓霖受邀出席以公益为主题的环球风尚年度盛典,她则在采访中,表达了自己对于公益“时代性”的理解[31-32] 。