1994年，王千源参演个人电影处女作《赢家》。

1997年，在孙周执导电影《漂亮妈妈》中与巩俐合作。

1998年，主演抗战题材电影《山顶上的钟声》。

2003年，出演情感伦理剧《浪漫的事》。

2006年，参演谍战题材剧《五号特工组》。

2007年，领衔主演抗战革命剧《关中男人》。

2010年，凭借主演的喜剧电影《钢的琴》获得第23届东京国际电影节最佳男演员、第7届中美电影节最佳男演员。

2014年，参演吴宇森执导的电影《太平轮》。

2015年，参演犯罪警匪电影《解救吾先生》。

2016年，领衔主演年代公安剧《黎明决战》。

2017年，主演麻辣喜剧动作电影《龙虾刑警》。

9月16日，凭借电影《解救吾先生》获得第31届中国电影金鸡奖最佳男配角。

2020年8月21日，参演的电影《八佰》上映；

10月9日，王千源领衔主演的电影《惊天救援》宣布主演阵容。