王千源的父亲王早来是辽宁人民艺术剧院一级演员，父子二人曾共同出演电影《钢的琴》。
1994年，与宁静、邵兵合作主演霍建起独立执导的电影处女作《赢家》，在片中扮演失去胳膊却又自强不息的青年。该片获1996年第6届上海影评人奖十佳影片和第2届中国电影华表奖优秀故事片奖、1997年第5届五个一工程奖优秀故事片奖。
1995年，参演吴若甫、王强主演的军旅题材电影《征服死亡地带》。
1997年，出演陈凯歌执导的历史剧情电影《荆轲刺秦》。同年参演孙周执导的亲情电影《漂亮妈妈》，和巩俐合作。之后参演了滕文骥执导的悬疑探案剧《危情时刻》。同年与王强共同主演张汉杰执导的温情年代剧《老三届》。
1998年，出演丁黑执导的现代都市剧《致命邂逅》。同年与舒淇、吴辰君共同主演叶鸿伟执导的抗战电影《山顶上的钟声》。之后与张延联袂主演杨亚洲执导的电视电影《婚前别恋》。
1999年，再次与杨亚洲导演合作，出演其执导的电视电影《大戏小戏》。同年与莫文蔚、姜武主演公路电影《走到底》。同年与卢芳主演儿童题材电影《欢乐公主》。
1999年，参演陈建斌、丁嘉丽主演的情感剧《有爱的日子》。
2000年，出演颢然执导的电视剧《最爱》。同年出演高群书执导的电视剧《命案十三宗》续集《真相》。
2001年，参演邵方、叶青醇共同执导的都市生活剧《中关村风云》。同年在陶红、姜武主演的家庭情感剧《空镜子》中饰演张波的同班同学陈果仁，是一个女性化的男人。
2002年，在改编自张爱玲同名小说的古装家族剧《金锁记》中饰男主角姜季泽的朋友陆荐云。
2003年，在朱媛媛、倪萍主演的情感伦理剧《浪漫的事》中饰演有点极端的环保主义者陈昊。同年在马戎导演的都市情景喜剧《老威的X计划》中饰演老威的朋友史洪涛。
2004年，与辛柏青、柳云龙联合主演悬疑警匪剧《零距离》，在剧中饰演王建东。同年与林依轮、海青共同主演爱情轻喜剧《男人女人向前走》。之后在中国式婚姻爱情悲喜剧《追赶我可能丢了的爱情》饰演医生魏劲戈。
2005年，与高明、史兰芽主演电视剧《中国脊梁》。同年与海青、赵毅主演家庭情感剧《不能失去你》。客串出演家庭伦理剧《中国式结婚》。之后在李骏执导的谍战情感剧《红色追击令》中饰演军管会社会部主任罗江。
2006年，在于震、淳于珊珊主演的谍战题材剧《五号特工组》中饰演汪伪特务机构“76号”头目齐冠雄。同年在戚健执导的青春偶像剧《开盘》中饰演商界精英。
2007年，主演编剧庞一川关中系列剧封笔之作《关中男人》，在剧中饰演极具传奇色彩的关中男人王长安。
2008年，与范伟、居文沛主演当代都市喜剧电影《即日启程》。之后与郭晓冬、潘雨辰主演都市情感剧《亲爱的敌人》。同年与闫妮、张译主演家庭伦理剧《三七撞上二十一》。之后领衔主演盗墓悬疑剧《国家宝藏之觐天宝匣》，在剧中扮演足智多谋大侦探萧剑南。
2009年，与吴越、常玉红主演文艺电影《老丁的春天》。同年客串出演反映刑释人员回归社会的现实题材剧《永不回头》。在家庭伦理剧《复婚》中饰演兢兢业业的医生薛四平。同年领衔主演抗日战争剧《地道战》，在剧中饰演高家庄民兵队长高传宝。
2010年，凭借领衔主演的喜剧电影《钢的琴》获得第23届东京国际电影节最佳男主角奖，是近10年唯一华语影帝。并凭此片提名第48届台湾电影金马奖最佳男演员和第28届金鸡奖最佳男演员，并获得第七届中美电影节“金天使”最佳男演员奖，以及第14届上海国际电影节之第08届电影频道传媒大奖最佳男主角。同年在赵晨阳自编自导的家庭生活剧《说谎的爱人》中饰演牙科医生宋彤。
2011年，与郭晓冬、郭晓峰主演悬疑谍战剧《我是真的》，在剧中饰演冒充地下党员桑义州的特务何雄。同年与陶虹联合主演都市情感剧《买房夫妻》，在剧中饰演热爱事业的知识分子兰贵成。
2012年，与连奕名、刘琳共同主演年代军旅剧《五湖四海》，在剧中饰演中国人民解放军一连卫生员魏景林，解放南京后任卫生部医政科科长。同年在解放西藏60周年特制献礼剧《英雄先遣连》中饰演人民英雄李狄三。
2013年，在郑晓龙执导的都市轻喜剧《新编辑部故事》中饰演生活财经版编辑刘向前。同年领衔主演龚朝晖执导的战争传奇剧《异镇》，在剧中饰演霸下镇镇长李从文。同年获得MSN时尚影响力大典最受欢迎男演员奖。
2014年，出演吴宇森导演的战争灾难电影《太平轮》。之后参演许鞍华执导的爱情传记《黄金时代》。同年与张一山、刘涛主演都市备孕轻喜剧《食来孕转》，在剧中饰演“夹板气男”沈立东。同年在刑侦悬疑剧《湄公河大案》中饰演云南省西双版纳州公安局禁毒支队支队长高野。
2014年8月，主演由路阳执导，张震、王千源、刘诗诗等联袂主演的浪漫武侠电影《绣春刀》，饰演“带头大哥”卢剑星。
2015年，领衔主演刘江导演的谍战剧《黎明决战》，在剧中饰演充满正义之气的人民公安警察程樯；8月，主演夏钢执导的悬疑爱情电影《月色撩人》；9月，加盟东方魔幻史诗《海上牧云记》；12月，主演的生活情感剧《猴票》杀青。
2016年，主演古装奇幻武侠喜剧《健忘村》；同年，参演年代剧《英雄烈》。
2017年2月，王千源登上央视综艺栏目《朗读者》朗诵了海明威的名作《老人与海》，展示了深厚台词功底；3月，加盟张艺谋执导的三国题材电影《影》；4月，主演李昕芸执导的麻辣喜剧动作电影《龙虾刑警》，在片中饰演唠贱萌的刑警杜宇飞；7月，特别出演的现代空战电影《空天猎》杀青；8月18日，与郭富城、刘涛主演的犯罪题材电影《破·局》公映。
2018年，11月13日警匪片《限期破案》开机。
2019年11月22日，与宋佳合作的电影《你是凶手》上映；11月19日，出演的现实主义题材电视连续剧《美好的日子》在青岛开机。
2011年5月30日，担纲俄罗斯电影展的推广大使。
2015年12月23日，作为嘉宾出席了第30届中国电视剧飞天奖典礼。
上海国际电影节
2011第14届上海国际电影节之第8届电影频道传媒大奖最佳男主角奖钢的琴（获奖）
东京国际电影节
2010第23届东京国际电影节最佳男主角奖钢的琴（获奖）
中国电影金鸡奖
2017第31届中国电影金鸡奖最佳男配角奖解救吾先生（获奖）
2015第30届中国电影金鸡奖最佳男配角奖绣春刀（提名）
2011第28届中国电影金鸡奖最佳男主角奖钢的琴（提名）
台湾电影金马奖
2015第52届台湾电影金马奖最佳男配角奖解救吾先生（提名）
2011第48届台湾电影金马奖最佳男主角奖钢的琴（提名）
中国电影导演协会
2016第7届中国电影导演协会年度男演员奖解救吾先生（提名）
华语电影传媒大奖
2016第16届华语电影传媒大奖最佳男配角奖解救吾先生（获奖）
2012第12届华语电影传媒大奖最佳男演员奖钢的琴（提名）
北京大学生电影节
2016第23届北京大学生电影节最佳男演员奖解救吾先生（提名）
2011第18届北京大学生电影节最佳男主角奖钢的琴（提名）
其他影视奖项
2019-07第五届成龙国际动作电影周钢铁人最佳动作男演员“大”人物（获奖）
2016-03《青年电影手册》2015年度男配角奖解救吾先生（获奖）
2011-10第7届中美电影节最佳男演员奖钢的琴（获奖）
综合奖项
2017第14届MAHB年度先生盛典年度电影男演员（获奖）
2013MSN时尚影响力大典最受欢迎男演员奖（获奖）
他在很多的影视剧当中扮演的都是很生活化的小人物，有的时候戏可能不多，但是总是表现得很有光彩。
王千源不是很帅，但他浑身透露着一股与生俱来的阳刚之气。王千源作为事业型的男人，对待工作百分百投入。中戏科班毕业的王千源，是一个在业内是被大家公认的演技很好的实力派演员，他演的角色，不管多小，都能让人过目不忘，甚至有人评价他是“演配角都能把主演的光彩抢走”的演员，《浪漫的事》里的“结巴”，《空镜子》里女性化的男人，《荆轲刺秦王》里的“赵使”、《漂亮妈妈》里和巩俐吵架的“路人甲”等等。王千源正在被越来越多的观众认可和喜欢着。
