2002年，郑楚一在高希希执导的现实题材电视剧《结婚十年》中饰演小吴，从而正式出道。2009年6月，郑楚一被导演杨阳钦点出演励志剧《人生》，其饰演的男二号张小用是一位来自外乡的励志青年。

2011年7月，郑楚一与段奕宏、蒋勤勤、高虎等合作主演的商战剧《大时代》开播；12月，他还参演了近代革命剧《新亮剑》。2012年，郑楚一与徐僧、贾青等共同主演的抗战励志剧《神枪》开播，其饰演的酒井栗饭是一位冷酷的日本神枪手。

2013年5月，郑楚一与吕良伟、谢君豪等领衔主演的抗日剧《枪械师》首播，他在剧中饰演忠心耿耿、武艺高强的萧十一；6月，他主演的惊悚喜剧《夜幕惊魂》上映；11月，他又在古装权谋剧《谋圣鬼谷子》中饰演心狠手辣的吴起。12月，他与段奕宏、廖凡等联袂出演的年代传奇剧《海上孟府》播出，其饰演的李木华是个热血青年。

2014年6月，郑楚一在青春励志抗日剧《刺刀英雄》中演老虎岭山寨管家贾三。2015年2月，郑楚一出演的年代谍战剧《卧底》杀青，在剧中饰演了有勇无谋、心狠手辣的行动课课长贺须；8月，他参演的抗战谍战剧《左手劈刀》播出。

2016年11月，郑楚一主演了民国青春悬疑喜剧《暧昧侦探》，他在剧中饰演圣城大学教授韩天。2017年4月28日，郑楚一与黄渤、徐静蕾等搭档出演的悬疑故事片《记忆大师》上映；9月，他参演的年代谍战剧《毒战》开播；10月，他又加盟奇幻悬疑护宝网剧《大夏宝藏》，并饰演计算机系高材生陆云；此外，他还参演了国产动作犯罪影片《引爆者》。

2018年7月，郑楚一与祖峰、侯勇、梅婷等联合主演的年代谍战剧《面具》在北京卫视播出，所饰演的保密局行动队队长郑三外表不苟言笑、内心冷酷。9月，郑楚一凭借在犯罪悬疑片《暴雪将至》中亦正亦邪的李警官一角获得第十四届中国长春电影节最佳男配角奖提名。

2019年4月，郑楚一参演的古装剧《大秦帝国之天下》杀青，他在剧中饰演秦国将军樊於期。2020年1月，与段奕宏、大鹏等合作主演的悬疑动作网剧《双探》杀青。

2021年9月17日，参演的动作冒险巨制电影《一触即发之除爆》在爱奇艺平台正式上线。