2000年，林佑威与李威组成“WeWe”组合，从而正式进入演艺圈。 2001年，出演枊广辉执导的青春校园喜剧《贫穷贵公子》，在剧中饰演阿健，这是他的首部电视剧作品；同年12月，随WEWE推出组合首张音乐专辑《Happy Day》，收录了包括《原来爱你是这么快乐》、《三明治》等在内的10首歌曲。 2002年，出版个人著作《我不是偶像》；同年，出演徐熙娣、柳翰雅、陈建州主演的青春偶像剧《青春六人行》。 2003年，与陈斯婷合作主演爱情偶像剧《圣夏零度C》，在剧中饰演男主角阿圣，并献出荧幕初吻；同年9月，推出首张个人音乐专辑《那条街》，收录了包括《喜欢》、《多少柔情多少泪》等在内的10首歌曲；同年，与谢承均合作主演爱情偶像剧《王牌天使》，在剧中饰演男主角天真 ；同年12月31日，参加“台北最HING跨年晚会”。 2004年，出演尹祺执导的爱情电影《心恋》，在片中饰演傻憨憨的物理系男生黎浩。 2005年，与蓝正龙、杨玉欣合作主演爱情偶像剧《45℃天空下》，在剧中饰演来自虔诚基督教家庭的男主角连怀恩；同年12月，出版个人写真书《IL FAIT CHAUD 45°C》。 2006年，与王宇婕、张玉华、林炜合作主演都市爱情剧《爱上小男人》，在剧中饰演阳光开朗且幽默风趣的男主角葛靖；同年，凭借电视剧《45°C天空下》入围“第41届台湾电视金钟奖”戏剧节目最佳男主角奖。 2008年，出演王明台执导的推理悬疑剧《天平上的马尔济斯》，在剧中饰演看似不修边幅、偶尔有点粗暴但却心思细腻、观察入微的男主角徐子捷；同年，出演王小棣执导的爱情偶像剧《波丽士大人》，在剧中饰演天性灵巧且擅以圆滑姿态拉拢人际关系的男主角林俊维。 2009年，与戴君竹、黄鸿升、刘恺威合作主演家庭情感剧《我在1949等你》，在剧中一人分饰二角，分别饰演了高大挺拔且好胜心强的男主角唐轩、斯文有礼且气质出众的唐浩仪。 2010年，与潘玮柏、张榕容合作主演爱情偶像剧《爱∞无限》，在剧中饰演个性放荡不羁的男二号李民硕。 2011年，与路宏、姜瑞佳、李锦飞合作主演青春励志剧《天才碰麻瓜》，在剧中饰演成熟稳重且有点腹黑的大学医学院主任孟南。 2012年，与袁弘、吕一、孙骁骁合作主演都市偶像剧《真爱惹麻烦》，在剧中饰演做事果决利落的男主角高扬。 2013年，与杨一展、赖雅妍、梁靖合作主演爱情偶像剧《两个爸爸》，在剧中饰演花店老板、温蒂的爸比温振华；同年，凭借电视剧《两个爸爸》获得“华剧大赏”最佳男演员奖、最佳催泪奖。 2014年，与李毓芬、温升豪、张熙媛合作主演都市情感剧《涛女郎》，在剧中饰演外表冷傲但内心却温暖专情且充满正能量的富二代周以翔；同年12月，推出首张个人EP专辑《再说一次Yes I Do》，收录了包括《原来爱情就像烟火》、《念旧》等在内的4首歌曲。 2015年，出演吴蒙恩执导的科幻爱情剧《来自未来的史密特》，在剧中饰演从未来回到过去的男主角史密特。 2016年，与黄腾浩、简宏霖合作主演青春偶像剧《我的极品男友》，在剧中饰演负责掌管客来集团旗下的文创餐饮事业部的男主角杨振伟。 2019年6月30日，参演电视剧《那片花那片海》开播，在剧中饰演陈嘉豪；8月6日，参演电视剧《烈火军校》开播，在剧中饰演吕中忻；10月16日，与高以翔、宣璐等合作主演的都市爱情剧《彩虹的重力》首播。