2012年，邓伦被琼瑶选定，参演李晟、张睿主演的青春爱情励志电视剧《花非花雾非雾》，饰演暗恋白梦华的同事徐浩，与杨紫饰演的白梦华被称为“完美恋人”2013年10月，与海陆、邱泽合作的爱情偶像电视剧《超级灰姑娘》杀青，邓伦在剧中饰演杜齐花的弟弟杜齐天一角；7月，与《花非花雾非雾》各主演共同参与综艺节目《快乐大本营》的录制。
2014年3月，再次与李晟合作，参演民国电视剧《新京华烟云》，饰演姚木兰的弟弟姚迪非。同年，邓伦还参演了都市情感喜剧《爱情上上签》，饰演长相白净、性格腼腆、不善社交的工商管理专业毕业生孙小飞，这是邓伦首次作为男一号出演电视剧。
2015年3月，与罗晋、王丽坤合作主演古装神话魔幻剧《封神》；5月，与张嘉译、何冰等人合作主演根据陈忠实同名小说改编的年代史诗剧《白鹿原》，在剧中饰演原上五少之一的铁血军官鹿兆海；随后，与朱丹合作主演的都市家庭轻喜剧剧《待嫁老爸》播出，他在剧中饰演努力自主创业的造型师苏达；11月，参演改编自盈风同名小说的青春校园偶像剧《十五年等待候鸟》，在剧中饰演外表冷漠，内心却温暖无比高冷系男神柳千仁；12月，与张鲁一、孟召重合作主演年代情感剧《燃情大地》；随后，荣获腾讯视频星光大赏年度青春大势艺人奖。
2016年5月，主演青春励志偶像剧《毕业季》，在剧中饰演风流潇洒的富二代安景晨；随后，在古装传奇剧《特工皇妃楚乔传》中饰演表面放荡不羁，实则头脑精明的唐国太子萧策；9月，确定出演都市职场女性剧《欢乐颂2》，在剧中饰演热爱音乐的谢滨，与“五美”中的关雎尔之间有一段感情纠葛。
2017年1月，与吴磊、林允合作主演古装武侠剧《斗破苍穹》；2月，主演民国情感剧《海棠经雨胭脂透》；3月，与孙怡三度合作主演的都市情感励志剧《因为遇见你》播出，在剧中饰演逗痞浪荡却是身负正义与责任的律师李云恺；该剧以全国网平均收视破3%，单集最高收视破5%的成绩连续27天取得双网全时段收视冠军，网络播放量也超过70了亿，而邓伦也因在剧中的表现获得了广泛关注；4月，确定主演古装神话剧《香蜜沉沉烬如霜》，在剧中饰演天帝之子旭凤。
