2003年，还在北京电影学院上二年级的万思维参加了由湖南经视台举办大型选秀类综艺节目《绝对男人》年度总决选和湖南卫视第二届中国金鹰电视艺术节之“金鹰新秀大赛”而获得了广泛关注；同年凭借和夏雨，周韵主演的都市爱情剧《爱上单眼皮的男生》进入娱乐圈。 2011年因在央视开年军旅大戏《第五空间》中担任男主角，并且取得了同时段收视率第一的好成绩，获得观众好评，因此成为了新生代军旅偶像的代表。
2013年万思维领衔主演的年代爱情戏《错嫁》取得南方地区收视率前三的好成绩，同年在抗战大戏《国家记忆》中与张丰毅搭档，担纲并列男主角，展现了一段热血男儿血洒疆场的感人故事。同年出演八一电影制片厂重点献礼电影《雷锋的微笑》饰演男主角雷锋，被媒体评为“史上最阳光温暖的雷锋”，奠定了其红色军旅小生地位。
2014年在电视剧《裸婚之后》中饰演钟亦诚，这也是万思维首度尝试都市情感题材，饰演一位与曾经形象反差很大的文艺青年。