2005年，任东霖与张晨光、杜雨露、张子琪出演由郭少雄执导的古装历史剧《夜来风雨》，在剧中饰演明孝宗朱佑樘之子武宗朱厚照。并演唱主题歌《换心》。同年，任东霖与吴倩莲、张铁林、沈傲君出演古装历史剧《北魏冯太后》，在剧中饰演李彪。2006年，出演刘佩琦、吴军、张子琪主演的家庭悬疑剧《血有多浓》，在剧中饰演薛东霖。2007年，任东霖与杜淳、高圆圆、刘德凯出演由赖水清执导的清末民初爱情剧《爱无悔》（又名《江南第一店》），在剧中饰演高家少爷高德智。同年，演唱电视剧《大旗英雄传》的主题曲《一滴泪》。2008年，任东霖出演袁立、郭珍霓、佟丽娅主演的古装历史剧《母仪天下》，在剧中饰演历史上有名的汉成帝刘骜。2009年，与黄晓明、王珞丹等联袂出演商战情感剧《暗香》，在剧中饰演黄晓明的侄儿皮皮。同年，他与林心如、文章、柯叔元等联袂出演由李保平、丁仰国联合执导的都市情感剧《爱在日月潭》，在居中饰演傅康林。之后，与明道合作古装神话剧《嫦娥》剧中，他首次饰演一个纯粹的大反派。2010年，与贾一平、张光北、马伊P出演商战史诗剧《经纬天地》，在剧中饰演一个重情重义为了朋友两肋插刀的秦少杰。随后，与贾一平、张光北、王媛可联袂主演由黄建中、钟少雄联合执导的电视剧《远期的合约》，在剧中饰演小海。同年，与巩峥、陈丽媛、文梦洋联袂主演由浙江海纳影视制作公司出品的都市爱情剧《爱情可以有》，在剧中饰演钱啸。2011年，参演张恒、韩青、谢君豪主演的民国抗战剧《血雨母子情》，在剧中饰演邢天。同年，与范明、郭珍霓、姚笛等出演由中央电视台、浙江华策影视股份有限公司联合出品的清代古装判案剧《施公案》（又名《新施公案》），在剧中饰演单元剧《天水间》中心狠手辣草菅人命的反派人物满族贝勒德荣。2012年，与张玉鳌⒄懦抗狻⒊伦虾、田丽主演的情感剧《妈妈你在哪里》拍摄中。任东霖这次在剧中和张晨光饰演一对父子，这是续《夜来风雨》后再度合作，但是任东霖和张晨光对戏丝毫不紧张。任东霖在剧中扮演的洪子昂是一个十分痴情的人。同年，与胡亚捷、何赛飞、何琳等联合主演的家庭情感剧《那金花和她的女婿》，在剧中饰演二女婿任仲明，是一个讨好谄媚的小男人。2013年，任东霖与毛林林主演由福建朱子影视文化有限公司投拍的时尚茶文化题材电视剧《茗定今世缘》，该剧以“茶”字为中心，讲述了天茗茶府和清远茶庄两大茶商家族纠葛几代的纷纷扰扰。随后，主演由张孝正执导的偶像剧《叫我灰姑娘》（又名《超级灰姑娘》），在剧中饰演富二代张摩西。同年，与陈昭荣、马德钟、杨婷婷、李芳雯主演由台湾导演张孝正执导的电视剧《匹夫英雄》，任东霖一改往日荧屏形象，在剧中饰演性格沉稳内敛的土匪首领季风。2014年，参演吴秀波，姚晨，张萌，方中信主演的现代都市爱情剧《离婚律师》，在剧中饰夏芳草和顾威的婚礼主持人；。2015年，参演由上海新文化传媒集团股份有限公司出品的年代情感剧《两个女人的战争》，在剧中饰演牛成国；随后出演近代革命电视连续剧《暗战危城》；同年8月出演由海润影视有限公司的年代悬疑电视剧《秘密的背后》，在剧中饰演野心检察官崔俊杰一角。