1999年,于小偉考入中央戲劇學(xué)院。2000年,參演徐帆主演的電視劇《永遠(yuǎn)有多遠(yuǎn)》,這是他的首部電視作品。
2003年4月,參演陸毅、林心如主演的電視劇《男才女貌》,飾演高富帥“劉浩東”。2005年,在顧長衛(wèi)導(dǎo)演的電影《孔雀》中扮演張靜初的暗戀對象、解放軍傘兵;參演蔣雯麗,那英,羅海瓊主演的都市愛情片《好想好想談戀愛》;12月,在陳凱歌導(dǎo)演的東方奇幻史詩電影《無極》中飾演也力一角。
2008年3月,參演的范冰冰、霍建華、劉雪華主演的電視劇《胭脂雪》播出,出演軟弱在感情上左右搖擺的辜少棠,被香港媒體評為2008年度香港最具人氣的大陸男演員。
2012年3月,與韓雪、丁子峻主演電視劇《偏偏愛上你》,飾演林重光;6月,于小偉與鄔君梅、羅家英等主演驚悚片《查無此人》,榮獲第四屆英國萬象國際華語電影節(jié)“優(yōu)秀新人演員獎(jiǎng)”。
2013年5月,與薩日娜、閆學(xué)晶領(lǐng)銜主演的電視劇《闖關(guān)東前傳》播出,飾演管家大哥管糧;5月29日,與佟大為、于明加、丁嘉麗、周曉歐等聯(lián)合主演的反應(yīng)現(xiàn)代門第觀念下婚戀矛盾的電視劇《門第》在安徽衛(wèi)視、河南衛(wèi)視、深圳衛(wèi)視、四川衛(wèi)視黃金檔播出,于小偉在劇中飾演玩世不恭、冷漠孤傲、自私自利的“冷面貴公子”羅勝利。
2014年3月,主演《食來孕轉(zhuǎn)》播出,于小偉與劉濤在劇中分別飾演杜一鳴和沈谷雨