1977年，6岁时首次出演江西话剧团舞台剧《甜蜜的事业》。1978年，7岁时随父母迁往北京。后来报考上海戏剧学院，但没考上。1990年考入北京电影学院表演系。
1994年，考入北京电影学院表演系研究所，专攻电影表演创作及教学并担任助教。1997年，北京电影学院硕士毕业后推留校任教。
1990年，出演陈凯歌执导电影《边走边唱》，影片入围戛纳影展，因此崭露头角。1992年，演出舞台剧《三姐妹》。1994年自编自导自演舞台剧《牛虻》。
1995年，自编自导自演舞台剧《红字》；同年，出演香港电影《夜半歌声》。
1997年，发行第一张音乐专辑《边走边唱》。1998年，发行第二张音乐专辑《我想我是海》。
1999年，与周迅、刘若英、伊能静联袂主演电视剧《人间四月天》。
2000年，主持台北飞碟电台《黄磊时间》节目；同年，导演北京电影学院表演系97级毕业大戏《送冰的人来了》，成功公演。之后参演多部电视剧《橘子红了》《婚姻保卫战》等。
2004年3月8日黄磊与孙莉登记结婚。2006年2月6日女儿黄忆慈出生。2014年黄磊透露二女儿出生。
