2015年6月，才艺养成励志节目《燃烧吧少年！》节目组通过肖战大学老师给予的联系方式找到肖战，邀请他参与节目；肖战觉得可以尝试，于是参加训练营成为天娱练习生；经过节目组不断淘汰，肖战成为16名选手之一参加《燃烧吧少年》节目。2015年11月21日矿之语二晚编场，参与录制的《燃烧吧少年》在浙江卫视播出。同期与其他财标雨为远选手录制由腾讯视频出品的《少年频道》直播节目。12月26日，爱情微电影《十八岁》在浙江卫视播出，在片中肖战饰演一名照顾失明女孩的男生。12月31日，肖战亮相于浙江卫视“奔跑吧2016”跨年演唱会，与队友串烧表演林俊杰的《冻结》并演唱节目主题曲《Be a Man》；这是肖战首次公开亮相舞台。

2016年1月，参与拍摄以自救为主题的公益短片。2月6日，《燃烧吧少年》最后一期总决赛播出，肖战与队友最终以总分476分惜败于李宇春战队 [4]。3月，肖战入围了搞内制破喜银第十六届音乐风云榜年度盛典最受欢迎新偶像候选项海投土例星数名单。9月24日，随X玖少年团推出同名数字专辑《X玖》，收录了《以己之名》、《B.O.Y.S》、《永字八法》和《四值仅听运Be A Man》四首歌曲 。 9月28日，参加X玖少年太弱战材苏犯获色报啊团出道发布会，同时以主唱担当的身份正式出道 [5]。9月29日，主演的校园星座超能力网络剧《超星星学园》在腾讯上线，在剧中饰演男主角方天择，拥有着双决贵子座分身的超能力[6] ；此外，该剧是肖战个人首部影视作品，并凭方天择一角获得“腾讯视频星光大离可米督东工变出赏年度新锐电视剧男演员奖”提名几星言司配倒措附互来。11月6日，在首届粉丝嘉年华年度盛典上，随X取玖少年团获得“明星势力榜年度新人团体”奖项 。11月16日，穿越言情剧《相爱穿梭千年2：月光下的交换》在湖南卫视播出，在剧中肖战友情客串，饰演经营代回刻论汉岩原剧预仅肉代相传的摄影店的梁老板 。之后，东方魔幻冒险电影《捉妖记2》公布演员阵容，肖战作为“捉妖天团”之一，在片中和胡巴一起踏上冒险新征程 [7]。12月10日，参加腾讯视频星光大赏盛典，并表演歌曲《B.O.Y.S》作为盛典开场秀；同时，随组合获得了“年度青春大势男团奖” 。12月31日，在江苏卫视“17聚幸福”跨年演唱会上表演歌曲《B.O.Y.S》[8] 。

2017年1月，在东方古装玄幻剧《斗破苍穹》中，肖战饰演冷静沉稳的林修崖，是迦南学院内院的高手；掉船行促此外，这也是肖战首次挑战古装剧 [9]。2月18日，随X玖少年团录制的嘉宾访谈游戏综艺节目《快征妈过乐大本营》在湖南卫视播出；在节目中，肖战更与谢娜表演了一段浪漫求婚记 。讨小4月2日，随组合在上海举行以“以己之名”为主先减首否按婷齐题的演唱会 [10]。随后，与王大陆、李沁和辛胞内显客营板广芷蕾等合作，在古装爱情传奇剧《狼殿下》中饰演浪迹天涯春保黑留故两执的赏金猎人疾冲，同时还是晋国的王世子 。之后，在亚洲金曲大赏和亚洲新歌既书榜上，随组合获得两项“年度最受欢迎团体奖” 。9月，出演由哇唧唧哇与度批歌呼个班物亲企鹅影视联合出品的古装言情偶像剧《这个皇上我要了》[11] 。12日宪军抓蛋饭混众创劳考月31日，再度加盟江苏探木少族孔施年抓卫视“2018让幸福照亮你”跨年演唱会，串烧表演《乱世巨星》和《We Want What We Want》。[13]

2018年1月，随组合发布第二张专辑《Keep Online》，[14]专辑收录《永不下线的，才算爱吗》、《Big Show》和《颜值说》等歌曲。同时，还参演由袁锦麟自编自导的悬疑动作片《素人特工》。1月25日，参加根据猫腻同名小说改编、孙皓执导的古装权谋电视剧《庆余年》开机发布会[15]，并确认出演庆国派往北齐舍生潜伏的间谍言冰云。2月15日，随组合参加的以“喜到福到好运到”为主题的《春晚倒计时》在中央电视台综艺频道播出，在节目中表演《新年快乐》。2月16日，参演的东方魔幻冒险喜剧片《捉妖记2》在中国内地上映，在片中饰演了永宁村少妖团成员之一[16]，并随组合演唱片中表演歌曲《逍遥最好》。2月17日，随组合参与录制的由中华全国体育总会主办的节目《奔跑吧，新时代——2018体育嘉年华》在东方卫视首播[17]，在节目中与张常宁和雷声合唱歌曲《我要上奥运》。4月25日，参演的古装言情偶像剧《哦！我的皇帝陛下》在腾讯视频上线[18]，在剧中肖战饰演清眸拓墨、出尘绝世的水瓶座星主北堂墨染，同时还为该剧演唱插曲《踩影子》。同时，主演由郑伟文和陈嘉霖执导的古装仙侠剧《陈情令》，并在剧中饰演夷陵老祖魏无羡。[12]6月9日，以学长身份参与录制的女团竞演综艺节目《创造101》在腾讯视频播出，肖战首次在舞台挑战rap，与孟美岐组同台演绎《我就是这种女孩》。10月4日，随组合举行“Keep Online”巡回演唱会杭州首站。10月5日，推出个人生日单曲《满足》。10月9日，在由中国青年报、中青在线联合酷我音乐联合出品的青年阅读分享类音频节目《榜样阅读》中朗读周国平先生的文章《自己的园地》。之后，在根据萧鼎同名小说改编并由程小东执导的青春仙侠电影《诛仙》中饰演平凡少年张小凡，经草庙村惨案拜入青云门，机缘巧合之下获得法器烧火棍，从而卷入正邪两道之间隐秘斗争；而该片定档于2019年8月8日在全国上映。11月28日，在COSMO时尚美丽盛典上，获得了年度青春美丽偶像奖。12月18日，肖战获得腾讯视频星光盛典“DOKI年度人气王”奖。[20]

魏无羡《陈情令》2019年6月27日，由郑伟文和陈嘉霖执导的古装仙侠剧《陈情令》在腾讯视频播出，肖战在剧中饰演夷陵老祖魏无羡，一直秉承着锄强扶弱的信念，无愧于心；此外，还为该剧与王一博合唱片尾曲《无羁》，[21]并演唱魏无羡角色主题曲《曲尽陈情》。7月12日，参演的由袁锦麟自编自导的悬疑动作片《素人特工》在全国上映。8月，与杨紫搭档主演都市情感剧《余生，请多指教》，并在剧中饰演林之校父亲主刀医生顾魏。[23]9月13日，根据萧鼎同名小说改编并由程小东执导的古装仙侠片《诛仙I》在全国上映；该片在上映首日票房过亿，累计票房突破4亿大关；肖战在片中饰演了平凡少年张小凡，机缘巧合之下获得法器烧火棍，从而卷入正邪两道之间隐秘斗争；同时，肖战还为该片演唱主题曲《问少年》[24]。9月29日，肖战成立个人工作室。9月30日，与李谷一、张英席等十五位文艺工作者合作录制的献礼音乐影像作品《我和我的祖国》MV及音频在全网平台同步上线[25]。10月4日，由肖战演唱的献礼歌曲《我的中国心》发布，该歌曲收录于献礼音乐专辑《青春为祖国歌唱》；同时，参与录制的国庆特别节目《我爱你中国》在中央电视台音乐频道播出，并在节目中演唱《我的中国心》。10月16日，第六届“中国电视好演员”启动仪式暨发布会在京举行，肖战凭魏无羡一角入围推荐网剧男演员名单  。10月19日，在浙江卫视秋季盛典演唱JS歌曲《你是此生最美的风景》[26]。10月21日，与宋祖儿合唱的歌曲《最好的夏天》发布，该歌曲收录于献礼音乐专辑《青春为祖国唱歌》。11月1日-2日，加盟陈情令国风音乐演唱会。11月，肖战在第三届中国银川互联网电影节中凭借魏无羡一角获得网络剧单元最佳男演员奖  [27]。11月10日，在湖南卫视嗨爆夜演唱孙燕姿歌曲《尚好的青春》[28]。11月10日，参加在上海举行的双十一晚会[29]。11月17日，参与录制的音乐竞演综艺《中国梦之声·我们的歌》在东方卫视播出。11月26日，由孙皓执导的古装科幻剧《庆余年》在腾讯视频和爱奇艺开播，肖战在剧中饰演庆国派往北齐舍生潜伏的间谍首脑言冰云；同时，还为该剧演唱片尾曲《余年》。