2001年，发行第三张音乐专辑《等等等等》。2002年2月12日，与周迅共同主演的家庭伦理剧《橘子红了》播出，在剧中饰演娴雅的未婚夫容耀辉，但他喜欢秀禾；同年，领衔主演陈凯歌执导的首部电视剧《吕布与貂蝉》，在剧中饰演三国战将吕布。

2003年7月，自编自导自演的个人首部电视剧《似水年华》播出，发行同名个人音乐专辑《似水年华》；主演电视剧《七日》，饰演香港警察江少威；同年7月10日，出版个人随笔集《十七楼的幻想》。2004年，自编自导自演民国感情剧《天一生水》，该剧围绕上世纪中国第一藏书楼宁波天一阁展开。

2005年11月18日，自编自导自演的电视剧《夜半歌声》播出，该剧讲述了20世纪30年代话剧演员宋丹萍和好友陈天逸与童若凡之间爱恨情仇的故事。2006年11月，与袁泉、孙莉、何炅合作出演的赖声川经典话剧《暗恋桃花源》首演，在剧中饰演江滨柳。

2007年，与黄奕、陆毅联袂主演根据巴金同名小说改编的年代情感剧《家》。2009年4月，主演的由老舍经典作品改编的电视剧《四世同堂》首播，饰演祁瑞宣。

2010年，与雷恪生、孙红雷等出演田沁鑫执导的话剧《四世同堂》，再次饰演祁瑞宣；8月16日，主演的由赵宝刚执导的爱情伦理剧《婚姻保卫战》首播，饰演居家煮夫许小宁。

2011年，与孙红雷、汪俊领衔主演赵宝刚执导的都市感情剧《男人帮》，饰演培训中心电脑老师罗书全；3月22日，凭借电视剧《婚姻保卫战》获得第1届亚洲彩虹奖“最佳男喜剧演员奖”。在该年，他的忘年交知音陈志远去世，这一变故也让他放弃了唱歌。

2012年，执导首部电影短片《老男人历险记》；同年，搭档陈数主演汪俊执导的都市情感剧《夫妻那些事》，饰演事业成功又疼老婆的好男人唐鹏。

2013年，与赖声川等人共同发起“乌镇戏剧节”；同年，搭档陈数主演都市情感剧《我爱男闺蜜》，饰演婚介所资深情感专家、职场女魔头叶珊身边的“男闺蜜”方骏。

2014年，黄磊携女儿黄忆慈参加湖南卫视真人秀节目《爸爸去哪儿2》。同年，出演麦兆辉、庄文强执导的犯罪剧情片《窃听风云3》，饰演陆国集团独立非执行董例万籡；同年，加盟江苏卫视《非诚勿扰》节目，成为点评嘉宾；9月19日，主演电影《触不可及》上映。

2015年3月26日，与宋佳、李雪健共同主演的情感伦理剧《嘿，老头！》在北京卫视、东方卫视播出，凭借该剧提名第21届上海电视节最佳男主角；6月，与孙红雷、黄渤参与户外竞技类综艺节目《极限挑战》在东方卫视播出；同年，担任何炅执导青春校园电影《栀子花开》的监制。

2016年，黄磊领衔主演蔡岳勋执导的暖心情感剧《深夜食堂》，在剧中饰演食堂“老板”，7月该剧杀青；8月15日，与海清主演的家庭情感剧《小别离》播出，在剧中饰演遭遇女儿的“青春期”的好爸爸方圆。

2017年1月，与何炅、刘宪华参加的生活服务纪实节目《向往的生活》在湖南卫视播出；5月11日，自编自导自演的个人电影处女作《麻烦家族》在全国上映。

2019年4月20日，参演的电影《狗眼看人心》上映；7月31日，主演的电视剧《小欢喜》播出；同年，福布斯中国发布2019名人榜，黄磊位列第63名。

2020年5月，以常驻嘉宾身份参与湖南卫视生活服务纪实节目《向往的生活第四季》；12月，加盟爱奇艺“无名”戏剧人生活生产真人秀《戏剧新生活》，担任“发展委员会主任”。同年，凭借电视剧《小欢喜》获第26届上海电视节-白玉兰奖最佳男主角奖提名。

2021年4月23日，以常驻嘉宾身份参与的生活服务纪实节目《向往的生活第五季》在湖南卫视播出；12月11日，与周迅、唐艺昕主演的家庭伦理剧《小敏家》在湖南卫视播出；12月25日，被授予中国国家话剧院“荣誉演员”称号。

2022年4月29日，参加湖南卫视《向往的生活第六季》；7月18日，主演的现实主义温情剧《张卫国的夏天》播出；7月，参演警匪动作片《制暴》；12月7日，特别出演的电视剧《县委大院》正式播出。

2023年1月22日，主演的电影《无名》上映；4月28日，参加的湖南卫视节目《向往的生活》播出；9月9日，特别主演的电影《不虚此行》上映。11月3日，参演的电影《普通男女》定档上映。

2024年6月23日，参加2024微博文化之夜。

黄磊的父亲黄小立是演员，在中央实验话剧院演了十几年话剧。黄磊就是在江西话剧院长大的，五岁时就登台演舞台剧。家庭成员：父母、姐姐、妻子（孙莉）、两个女儿、一个儿子。

1995年，黄磊在读研究生期间，担任助教，与新生孙莉一见钟情。2004年3月8日，与孙莉结束九年爱情长跑登记结婚。2006年2月6日，女儿出生，小名黄多多，大名黄忆慈。2014年，在电视剧《我爱男闺蜜》的发布会上自曝二女儿已经出生，而且爱妻孙莉已经出月子了。2017年，黄磊与孙莉的第三个孩子出生。

（参考资料来源：）

被传“出轨”，湖南卫视发表声明否认

随着《爸爸去哪儿》的热播，5位星爸难免也会成为各类话题的人物。有人爆料称：“全能奶爸”在录制间隙与女编导偷情，消息一出，引来各方面的猜测。黄磊方面先是否认，接着网友们也纷纷指责称：一个爸爸带着女儿，在一个上百人的剧组中录制节目，到底是从哪来挤出来的时间偷情，再说了时间、空间都不是好机会吧！这简直是胡扯。

湖南卫视于2014年8月7日发布正式声明否认此事，并表示对于某微博及某些媒体制造的虚假新闻，将依法追究其法律责任，坚决维护《爸爸去哪儿》节目品牌和节目嘉宾的人身名誉。

2021年8月消息，黄磊女儿学校辟谣黄磊女儿被学校开除的言论，回应黄多多是学校的骄傲。

黄磊是一个特别幸运的演员，拍第一部戏就碰到了导演陈凯歌，而且在他的下一部电影《夜半歌声》中演对手戏的张国荣、吴倩莲、黎明等都是著名的港台演员。虽然演的是配角，但是依然很出彩。黄磊说，其实在进表演系之前他就觉得自己会红，但在他看来这只是过眼烟云，因为“一个人会走红，也会走黑”。（中国国际广播电台 评）

黄磊这个名字，在很长一段时间里堪称“文艺男青年”的代名词。他有两个非常文艺范的代表形象，一个是《人间四月天》里的民国浪漫诗人徐志摩，另一个是《我想我是海》MV里长发飘飘的忧郁男歌手——这首歌时不时就在大学校园里响起，诉说着那个为赋新词强说愁的年代（搜狐娱乐评）。

从《人间四月天》里最具荧幕辨识度的“国民小生”徐志摩，到《小别离》中已略微发福的慈父方圆爸爸，黄磊成功地从青春期跑道启航，在一个温和而又不失力量的中年停机坪上着陆。黄磊是一个活得特踏实特自我的男人，虽然在影视剧中颇有喜感，但现实中却是个极其低调的人，甚至跟整个圈子有“隔离感”。作为北京电影学院的教授，黄磊主要教授学生艺术理论，表演只是其中一部分。通过表演，他希望带给学生更多的艺术思考。对于在拍戏过程中略微发福，黄磊坦言，作为一枚“吃货”，他喜欢与家人分享美食和快乐。够洒脱、有情怀，没有高大上的标签，仅用简单和质朴便赢得了观众的尊重，这正是现实中黄磊的迷人之处（光明日报评）。