2004年，罗子溢陪同朋友前往电影《阿嫂》剧组试镜，被星皓娱乐制作人选中，并在片中饰演外卖仔小红帽，这是他的首部电影作品，从而正式进入演艺圈。
2006年4月5日，其参演的惊悚悬疑电影《黑夜》上映；同年，与温雅妍、梁嫈、白梓轩合作主演青春情感剧《过渡青春》。2007年6月21日，其参演的警匪悬疑电影《跟踪》上映。
2008年4月24日，与江若琳、田原、曾志伟联袂主演的喜剧电影《六楼后座2：家属谢礼》首映，在片中饰演个性憨直的古惑仔阿谦；同年，根据王朔同名小说改编的剧情电影《一半海水一半火焰》上映，罗子溢在片中饰演女主角丽川的弟弟，与莫小棋饰演一对姐弟。
2010年，出演林利、王合喜、刘家辉主演的时装剧《火速救兵》；12月24日，与周秀娜、沈志明、杨梓瑶领衔主演的爱情电影《婚前试爱》首映，在片中担纲男主角，饰演个性率直的便衣警察阿泽，该片在香港上映期间票房突破了800万港币；此外，他还出演了傅颖《黑房》的MV。
2011年，与佘诗曼、方力申、陈嘉桓领衔主演爱情电影《人约离婚后》，在片中饰演男二号世杰；7月7日，与傅颖、周秀娜、杰西卡·C合作主演的爱情电影《热浪球爱战》上映，在片中饰演帅气多金、身材健硕的男主角Tim；随后，与谢婷婷搭档主演惊悚悬疑电影《猛鬼爱情故事》；同年，与关逸扬搭档主演舞台剧《我的基本生活》，这是他首次在戏剧作品中尝试男同性恋的角色。
2012年2月13日，与马国明、杨怡领衔主演的时装医务剧《Oncall36小时》首播，在剧中饰演性格外向的实习医生杨沛聪，并凭借该剧获得Astro On Demand我的最爱颁奖礼最佳男配角奖；6月24日，其主演的警匪剧《飞虎》播出。
2013年1月，其主演的动作电影《古惑仔：江湖新秩序》上映，在片中饰演重情重义的男主角陈浩南；随后，与马国明、杨怡、吴启华领衔主演时装医务剧《On Call 36小时Ⅱ》；同年，与吴镇宇、张智霖、胡杏儿共同出演时装剧《冲上云霄Ⅱ》，在剧中饰演飞行学员詹子麟，并凭借该剧获得新加坡星和无线电视大奖飞跃进步男艺人奖。
2014年1月31日，由甄子丹、周润发、郭富城领衔主演的神话动作电影《西游记之大闹天宫》上映，罗子溢在片中饰演李靖的次子、哪吒的二哥木吒；同年，与沈震轩、蔡思贝、米雪领衔主演时装爱情剧《冲线》，在剧中饰演为人随和又重情重义的男主角游达；之后，与郭富城、巩俐、冯绍峰、小沈阳领衔主演魔幻动作电影《西游记之孙悟空三打白骨精》，在片中饰演受观音菩萨点化而保护唐僧西天取经的沙僧，该片于2016年2月8日上映，并取得了12.01亿元人民币的票房成绩；10月19日，其主演的警匪剧《飞虎2》首播，在剧中饰演飞虎队攻击手俞学礼。
2015年3月27日，与郑中基、何超仪联袂主演的悬疑电影《第七谎言》上映，在片中饰演表面上循规蹈矩、却拥有不为人知的秘密的司机阿桑；同年，与黄灿灿、严禹豪合作主演根据明晓溪同名小说改编的青春爱情电影《泡沫之夏》，在片中饰演冷酷又不失温柔的男主角欧辰，该片于2016年7月21日上映；此外，他还凭借电视剧《冲线》获得2015万千星辉颁奖典礼最佳男主角奖的提名。
2016年，与王阳、朱锐、罗嘉良联袂主演警匪悬疑网络剧《无间道》，在剧中饰演处事圆滑、心思缜密的男主角韦峻轩；同年，与郭富城、冯绍峰、赵丽颖领衔主演魔幻喜剧电影《西游记之女儿国》，在片中饰演唐僧的三徒弟沙僧。
2017年1月，参加爱奇艺综艺节目《大牌对王牌》的录制；6月，随电影《西游记女儿国》剧组一同参加微博电影之夜。2019年9月20日，与任达华、梁咏琪、杨采妮联袂主演的剧情电影《小Q》上映，他所饰演的Simon是名导盲犬训练师，负责训练导盲犬。
2020年1月1日，与刘宪华、何润东等人合作主演的动作冒险电影《征途》上映；10月19日，与张曦雯、韦家雄联合主演的时装喜剧《木棘证人》播出，他在剧中饰演的是身为警察的男主角高力基。
2021年1月25日，《陀枪师姐2021》在香港翡翠台和腾讯视频播出，他在剧中饰演刘达华。10月18日，在播出的电视剧《星空下的仁医》里饰演文栢熙。2021年12月30日，罗子溢参演的港风家族剧《家族荣耀》宣布定档2022年1月4日。
2022年1月7日，罗子溢参演《婚后事》。
