2009年6月，客串了刘仪伟独立执导的第一部电影《火星宝贝之火星没事》，饰医生。

2010年6月，与文章、白百何、张静初共同主演都市情感剧《万有引力》，饰风雷；8月，在反映七十年代工人工作、生活的浪漫主义色彩的电视剧《师傅》中饰谢思雨；同年，与赵立新、焦俊艳共同主演红色年代谍战戏《永不消逝的电波》，饰反派赵子岐。

2011年6月，主演了根据作家许开祯小说《凉州往事》改编而成的《光荣大地》，饰机灵圆滑栓伍子；9月，与张恒共同主演国际密战剧《马迭尔旅馆的枪声》，饰满洲之狐高恒书；12月，与丁志诚、邹涵虹等主演年度谍战戏《神枪手》，饰冷酷杀手宫十一。

2012年2月，与李幼斌、史兰芽、隋俊波共同主演贺岁家庭轻喜剧《老严有女不愁嫁》，饰先锋艺术潮人葛大码；5月，和高云翔、张铁林、吕夏一起主演抗日剧《刀影》，饰上海滩第一杀手杜善起；随后，加盟了由周渝民、王学圻、张钧甯共同主演的长篇抗战剧《彼岸1945》，饰国民党士兵童山。

2013年6月，在曾丽珍执导的都市情感励志剧《恋恋不忘》，饰厉氏集团特别助理林建东。

2014年3月，客串了刘德华领衔主演的内地首部“打拐”题材电影《失孤》，饰城管。

2015年，参演电影《万物生长》；同年，吕行时隔8年与舅舅葛优共同出演电影《罗曼蒂克消亡史》。在抗战大戏《政委》中饰演铁骨英雄宋云杰。

2017年12月21日晚，凭借在电影《罗曼蒂克消亡史》中的精彩演出夺得第九届澳门国际电影节最佳新人。

2018年12月29日，参演的喜剧片《断片之险途夺宝》上映。

2019年2月14日，参演的电视剧《东宫》播出，剧中饰演高显；9月20日，参演的电影《决胜时刻》上映。

2020年2月21日，主演的悬疑古装言情探案剧《两世欢》开播。

2021年3月8日，参演奇幻悬爱剧《司藤》播出；同年，参演电视剧《真相》；12月3日，参演的电影《古董局中局》上映。

2022年，参演电视剧《月歌行》播出。

2023年10月27日，主演的喜剧电影《二手杰作》上映；11月28日，主演的原创古装传奇剧《一念关山》播出，饰演杜长史。12月30日，参演的电影《非诚勿扰3》上映。

2024年4月30日，出演的电视剧《书卷一梦》阵容官宣。5月14日，出演的电视剧《子夜归》正式杀青；8月23日，参演的电影《刺猬》上映，在片中饰演三姑父。10月1日，参演的电影《爆款好人》上映。

2007年12月，受邀参加中国红十字会总会预防艾滋病工作办公室、美嘉欢乐影城共同发起的“我在新年许下愿望”捐助艾滋孤儿慈善电影专场，并在现场发起捐款。

吕行在拍摄《刀影》时，收起了杀手时冷酷的一面，也没有刻意的柔情似水，而是用真情去体现人物善的一面， 以静制动，将火药味十足的戏份用静默的方式演绎出来。（新浪娱乐评）吕行出生在哈尔滨，身上有着东北人“纯爷们”的一面，对待家人朋友却心细如发，事事考虑周全，这也和剧中林特助的性格颇为相似。（搜狐娱乐评）