2005年，还在上大学的黄璐出演了章明执导的电影《结果》，她被 选中出演女二号单海燕。2006年，在林黎胜执导的数字电影《一半一半》中饰演胡盈盈；2月14日，由章家瑞执导的爱情电影《芳香之旅》上映，片中饰演女二号小英子。

2007年，在由李杨执导的电影《盲山》担任女主角，片中饰演被拐卖到农村的女大学生白雪梅；同年，主演电视电影《从心开始》，片中饰演缉毒警察的妻子罗映珍；12月8日，与蔡尚君导演合作的电影《红色康拜因》上映。

2008年，黄璐签约美国经纪公司CAA；7月，被选中出演郭小橹执

导的电影《中国姑娘》；同年，主演电影《沉默的呼喊》（又名《哑女的故事》）。

2009年4月，主演电影《追梦人》，饰演一个梦想成为摄影师的女孩文仪。2011年12月和姚安濂、王德顺共同参加主演电影《这里，那里》首映仪式。2012年，主演喜剧电影《水饺几两》。

2014年4月12日，黄璐首次担任制片人及主演的剧情片《云的模样》上映，凭借在该片中的表现她获得了第8届First青年电影展最佳女主角奖 [6]  ；9月8日，与吴中天合作主演的《三城恋习曲》上映，片中一位出走异乡寻求新生活的女明星；11月28日，黄璐与娄烨导演合作的剧情电影《推拿》上映，片中饰演洗头小妹小蛮；12月4日，担任第25届新加坡国际电影节长片竞赛单元的评委；12月19日，由 陈宏一执导的爱情片《相爱的七种设计》上映，黄璐在片中饰演一名特立独行的时尚设计师Emma。

2015年3月16日，黄璐凭借《推拿》、《云的模样》两部电影获得第6届《青年电影手册》“年度突破表演奖”。2016年，主演的电影《三伏天》入围66届柏林电影节全景单元。主演的新加坡影片《一只黄鸟》入围了今年第69届戛纳国际电影节影评人周长片竞赛单元；5月27日，其主演的电影《山那边有匹马》上映，片中饰演深圳志愿者女教师艾美。

2017年6月30日，其主演的电影《宽恕》上映，片中饰演年轻貌美的单身母亲李美华；10月，黄璐参加浙江卫视演技竞演类励志综艺《演员的诞生》。

2018年，黄璐还开始尝试科幻片，她主演了《机械姬》、《孕育之地》；6月15日，其主演的犯罪悬疑电影《血十三》上映，黄璐在片中饰演思维敏捷、身手不凡的女刑警邢敏； 7月，与李淳合作主演的电影《郊区的鸟》；同年，黄璐还参演了由林兆华执导的话剧《三姐妹·等待戈多》，出演三姐妹中的玛莎。

2019年3月13日，其主演的剧情电影《G杀》在中国香港上映，黄璐个人则凭该片提名第38届香港电影金像奖最佳女配角；7月，确认加盟美国ABC电视剧《小小小小的火》11月1日，其主演的犯罪剧情电影《六连煞》上映；11月1日，与祖峰领衔主演的犯罪电影《六欲天》上映，该片入围第72届法国戛纳电影节一种关注竞赛单元，而黄璐则在片中饰演女主角李雪；11月22日，其特别出演的悬疑电影《追凶十九年》上映；11月28日，其主演的现实题材电影《归去》上映；12月13日，出演的电影《被光抓走的人》上映。