2002年，获得中国新丝路模特儿大赛冠军；同年，参演个人首部电视剧作品《安室爱美惠》。2003年5月25日，与陈嘉桦、郑元畅、陆明君等人联袂主演的都市言情剧《蔷薇之恋》播出，黄志玮在剧中饰演深情寡言的堇。2005年，与董洁、车仁表联合主演情感剧《天若有情》，他在剧中饰演容貌纯净、清新温暖的方以安，这是黄志玮首次参演的中国内地电视剧。

2007 年，与张睿家搭档主演的惊悚悬疑片《绝命派对》上映，这是黄志玮首次参演的电影作品同年，与陈乔恩、明道联合出演的青春爱情剧《樱野三加一》播出，他在剧中饰演嚣张、叛逆的少爷方威。

2009年6月28日，与胡歌、霍建华、杨幂、唐嫣、刘诗诗等人联袂主演的古装仙侠剧《仙剑奇侠传三》播出，黄志玮在剧中饰演魔尊重楼；同年，参演张翰、郑爽领衔主演的青春励志爱情剧《一起来看流星雨》。

2010年，黄志玮出演了青春励志爱情剧《一起又看流星雨》，该剧是《一起来看流星雨》的续集，他在剧中继续饰演了叶烁的哥哥叶勉。2011年，与林依晨、陈柏霖合作出演的爱情剧《我可能不会爱你》首播，他在剧中饰演又青前男友HENRY；2012年8月，主持台湾时尚节目《玩美一窝疯》。2013年3月8日，出演的爱情剧《求爱365》在台湾中视播出，在剧中饰演个性善良，为人风趣大方的赖天成。

2016年10月15日，与罗弘证、连晨翔合作出演的青春励志爱情剧《High 5 制霸青春》首播，在剧中饰演大仁高中篮球队成员文岱杰。10月26日，与洪小铃、谢佳见、孙沁岳联袂主演的职场剧《独家保镖》播出，他在剧中饰演周心仪前男友。2017年，出演了谢念祖执导的话剧《情人眼里出西施》。

2018年4月27日，与骏声、刘洋联合主演的安保题材网剧《国民安保官之绝命护卫》播出，他在剧中饰演孤傲绅士陈耀辉；8月20日，与张珏领衔主演的动作片《甩尾王2》上映；9月5日，友情出演的爱情喜剧网络电影《男科女医生》杀青；12月，参加中国国际青年电影展网络影视推优活动典礼；同年，与钟欣桐搭档主演都市爱情剧《动物系恋人啊》，在剧中饰演楚之河的大学同学查定邦。

2019年4月25日，主演的短片《11:50》在纽约市举行全球首映；6月，主演的剧情片《震撼擂台》开机。