2001年，童蕾凭借剧情片《风雨十二年》出道。2003年，童蕾拍摄了以祖国统一大业为主题的电视剧《台湾海峡》，饰演性格孤僻、坚强的“钟秀”，这是她拍摄的首部电视剧，该剧于5月29日首播；随后，童蕾从上海戏剧学院毕业后进入上海话剧艺术中心成为一名在职演员；同年，童蕾又与吉雪萍、杨坤、战士强等共同主演了由张弘、富敏执导的青春剧《走过花季》，其在剧中饰演清纯可人的中学教师“陈非儿”，由此受到关注。2004年，由胡明凯、谭友业执导，黄海冰、郑国霖、聂远等主演的古装侠义电视剧《隋唐英雄传》是播出，童蕾在剧中饰演温文儒雅、美丽坚强的“李蓉蓉”；7月2日，由王亨里执导，焦恩俊，朴诗妍，黄海波等主演的古装爱情剧《凤求凰》播出，童蕾扮演卫青的姐姐“卫子夫”。2005年，与李幼斌、何政军、张光北等联袂主演了由陈健、张前执导的年代战争剧《亮剑》，童蕾饰演了敢爱敢做的护士“田雨”。该剧最高收视率达13.7%，平均收视率10.7%，夺得2005年中央电视台收视冠军。2006年，与周一围、王珞丹、郭昊仑等合作主演的情感悬疑剧《阳光像花一样绽放》首播，童蕾出演美丽的北漂演员“季文竹”；6月20日，童蕾与刘蓓、魏俊杰等共同主演的战争军旅剧《红色记忆》播出，她在剧中扮演善解人意的红军女政委“廖学书”。2007年，与于荣光、王力可、成泰燊等领衔主演的抗战剧《狼毒花》首播，童蕾扮演对感情的坚持双胞胎姐妹：梅子和夏雨；7月3日，与谢君豪、高云翔等联合主演的抗战剧《青春之歌》播出，童蕾扮演坚定的共产党员“林道静”，并凭借该角色获得了第7届中国金鹰电视艺术节观众喜爱女演员奖；8月15日，童蕾与谢君豪、魏骏杰、滕丽名共同主演的抗战剧《记忆之城》首播，她在剧中饰演富于正义感的大家闺秀“周敏柔”。2008年，与郭晓冬、朱泳腾、杨雪等领衔主演的都市情感剧《谁懂我的心》首播，童蕾扮演善良坚强的心理咨询师“卫娜”；7月16日，与陈宝国、蒋雯丽、孙俪等共同主演的纪实系列剧《震撼世界的七日》播出，饰演承受着失去亲人的巨大悲痛，仍然坚守抗震救灾前线的三级警司“蒋梅梅”；8月3日，与尤勇、赵子惠领衔主演的农村励志剧《大地》首播。2009年，与杜源、石小满、何苗等合作主演的农村题材剧《绝地逢生》首播，她在剧中饰演泼辣能干的布依族女支书“韦号丽”；3月13日，童蕾与林保怡、廖凡、张少华等领衔主演的谍战剧《愤怒的天使》播出，扮演毫无政治意识的外科医生“陈慧琳”；11月12日，童蕾出演的谍战题材话剧《风声》首演。2010年，与郭晓冬、任泉合作主演的军旅剧《那些迷人的往事》首播，童蕾再次穿上军装，饰演善良、睿智的高干子女“于抗美”；11月19日，与霍建华、张培、郑恺等领衔主演的都市青春励志剧《一一向前冲》播出，童蕾变身邋遢“剩女”周一一；11月21日，与连奕名、杜志国、何政军等联合主演的空军谍战题材剧《天阵》播出，童蕾颠覆自己以往的角色，出演一位双面间谍。2011年，童蕾与佟大为、黄圣依、张默等联袂主演的近代传奇剧《下南洋》播出，饰演性格泼辣、爱憎分明的“邝秋菊”；9月11日，与柳云龙、谷智鑫、何政军等共同主演的谍战剧《断刺》首播，童蕾饰演了共产党安插在军统内部的重要人物“李赫男”，并凭借该角色获得了第29届中国电视剧飞天奖优秀女演员提名。2013年，与黄海波、田小洁、任正彬等领衔主演了由刘江执导的战争剧《乱世三义》，童蕾在剧中出演坚忍的悲情女人“叶玉珊”。2014年，与罗晋、聂鑫等领衔主演的职场励志剧《错放你的手》首播，童蕾在剧中扮演有主见、性格明朗的知性女子“艾珊”；4月，与周小倩搭档主演的时尚爱情话剧《香水》展开全国巡演，童蕾扮演保险公司销售经理“伊雯”；10月13日，与张国立、刘若英、王耀庆共同主演的家庭情感剧《半路父子》播出，童蕾饰演美丽又严厉的时尚女教师“冯佳慧”。11月28日，童蕾在由《时尚旅游》主办的“Best of Travel 2014第九届中国旅游金榜”颁奖典礼上，获得了“年度公益明星大奖”。2015年，童蕾与侯勇、章贺、邓莎等共同主演了由白云默、张伟国联合执导的革命剧《英雄吉鸿昌》，饰演吉鸿昌知书达理的妻子“胡洪霞”。2016年，与张桐、李成儒、申军谊等联合主演的战争剧《我和妈妈的长征》首播，童蕾在剧中出演善良伟大的母亲“水葱”；7月24日，与徐佳等领衔主演的抗战剧《宜昌保卫战》播出，饰演聪慧柔美的军统特工“江美云”；10月10日，主演的年代情感剧《我的小姨》在南京开机。2017年，与靳东、潘虹、王芷璇等联袂主演了由易寒执导的都市情感剧《我们的爱》，童蕾饰演泼辣果敢、敢说敢做的人妻“丁雪”；2月，与蒋欣、林永健等人合作主演都市情感剧《凡人的品格》，在剧中饰演知性与美貌并重的女名人方昕然；4月，与任重、王自健、张丰毅等人合作主演史诗传奇剧《宣武门》。2018年，童蕾与马元、萨日娜、李建义等主演都市情感剧《那座城这家人》，在剧中饰演了杨艾。2019年，出演由导演孟奇献礼片《半条棉被》，影片中饰演历史人物徐解秀；11月19日，出演的现实主义题材电视连续剧《美好的日子》在青岛开机。2021年6月3日，领衔主演的年代剧《美好的日子》在浙江卫视播出，在剧中饰演白若雪。同年，参与拍摄由吴磊、赵露思领衔主演的古装传奇剧《星汉灿烂》，在剧中饰演皇后。2022年3月17日，与迪丽热巴、任嘉伦共同出演的古装神话剧《与君初相识》播出，饰演至情至性、逍遥不羁的青姬；4月4日，主演的古代传奇剧《恰似故人归》播出；7月5日，友情出演的《星汉灿烂》播出。2022年，参演电影《猎屠》。12月23日，特别出演的《破晓东方》播出。2023年12月15日，参演的电影《陀螺女孩》上映。12月15日，官宣特邀主演电视剧《海天雄鹰》。