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。