2012年，单薇与刘晓庆、陈冲等合作主演的古装剧《隋唐英雄》在湖南卫视播出，在剧中饰演敢爱敢恨的中原第一女侠红拂女，该剧在播出时一直处于同时段电视剧收视率前三位。此后，单薇也正式进入影视圈。
2013年，单薇主演的抗战剧《风影》播出，在剧中演绎清纯可爱的学生妹冉辛一角，随后该剧上星浙江卫视；12月，她主演的古装剧《隋唐英雄2之建唐风云》在湖南卫视金鹰独播剧场播出，在剧中再次饰演红拂女，随后该剧获得第21届金鹰奖优秀电视剧奖；同年，她参演的武侠剧《武松》和抗战剧《东北剿匪记》先后播出，武侠剧《武松》于同年在山东卫视和黑龙江卫视上星播出，2019年在云南卫视再次播出。而抗战剧《东北剿匪记》于2015年在甘肃卫视和云南卫视上星播出，2019年则在重庆卫视再次播出。
2014年，单薇领衔主演的谍战剧《冷枪手》播出，在剧中饰演中共女特工马赛飞，该剧于次年再次播出；3月，她与刘晓庆、张卫健等共同主演的古装剧《隋唐英雄4》在江苏卫视播出，在剧中饰演楚楚可人并为爱牺牲的窦仙童；同年，其与蒋林静、余少群等合作主演的传奇剧《末代皇帝传奇》播出，在剧中饰演中外闻名的双面间谍川岛芳子，该剧于次年在安徽卫视和云南卫视上星播出。
2015年，单薇与余少群、孙耀琦合作主演的都市爱情剧《婚姻攻防战之爱要付出》在云南卫视播出，在剧中饰演敢于表达自己感情为自己争取幸福的朱丽宏，这也是她首次出演现代题材电视剧；同年，她主演的古装剧《隋唐英雄》的终结篇《隋唐英雄之薛刚反唐》在江苏卫视播出，在剧中饰演美艳至极的唐朝第一宠妃赵美玉。
2017年，单薇与宁静、侯勇等合作主演的抗战剧《大西北剿匪记》播出，在剧中饰演军统一枝花姜媚，该剧先后在八个地面频道播出。
2019年，单薇受邀参加北京国际时装周；同年，她获得第二届中国广告片金狮奖最受期待女演员奖。
2020年，单薇受邀参加“时光之恋，庐约而至”庐山国际爱情电影周。
