2008年，经过北京电影学院老师刘畅的引荐，曹炳琨进入了电视剧《潜伏》剧组，和孙红雷、姚晨等演员合作；剧中他饰演靠倒卖情报发财的特务谢若林。

2009年，出演电视剧《温柔的背叛》；同年与吴越、高蓓蓓、曹炳琨、董维嘉共同出演由东上海集团投拍的都市情感剧《城市生活》，剧中曹炳琨饰演上海弄堂里的小混混阿胡。

2010年，出演农村喜剧电影《决战刹马镇》，饰演表面憨厚，背地里琢磨着怎么篡权夺位的副村长陈底里；片中曹炳琨不及有“豁牙”的设计，还说一口保定方言。同年，出演由安战军导演的爱情轻喜剧《微风吹乱的爱情》。

2011年，主演李依璠执导的谍战电视剧《黄金密码》，饰演国民党调查科科长段峰；之后与杜淳、马伊琍联袂主演都市情感剧《青春期撞上更年期》，剧中曹炳琨饰演幽默风趣、为人热忱又充满责任心的北京大男孩儿苗子；同年曹炳琨凭借苗子一角获得2011优酷影视指数盛典风云男演员奖。

2012年，与张佳宁、张凯丽合作出演电视剧《哎呀妈妈》；与马苏、李小璐联袂主演讲述80后一代婚姻、生活的情感剧电视剧《AA制生活》，饰演80后“凤凰男”张林。

2013年，与沙溢、陈瑾合作出演谍战电视剧《渗透》，饰演对工作兢兢业业的国民党特务齐公子。2014年4月，由曹炳琨、李曼、种丹妮领衔主演的年代情感电视剧《血色迷情》在南京影视频道播出；5月曹炳琨凭借《渗透》获得第二十届上海电视节白玉兰奖最具人气男演员奖提名。

2014年，8月，凭借《渗透》获得“华鼎奖·中国近代革命题材电视剧最佳男主角。

2015年，主演年代传奇大戏《战金岭》，饰演足智多谋的哈尔滨情报员夏风。

2016年，主演《战火中的兄弟》和《黎明决战》两部年代战争大戏。

2018年，主演电视剧《你迟到的许多年》。同年，参演电影《动物世界》。

2019年6月28日，其主演的电影《超级的我》上映。8月30日，主演的电影《铤而走险》上映，曹炳琨在片中饰演逐利商人老万。