史磊1岁时就被广告导演看中,此后陆续拍摄了多支广告。2000年,5岁的史磊被导演冯小刚发掘,得到了出演电影《关中刀客》的机会,由此开启了演员之路。
现场表演2003年,史磊在武侠片《关中刀客》中饰演女主角徐帆的儿子,正式出道。2004年,他与陈道明,蒋雯丽合作出演都市情感剧《中国式离婚》,饰演宋建平和林小枫的儿子当当。2005年4月,史磊与陈道明,刘嘉玲共同出演年代剧《一江春水向东流》,饰演抗儿。12月,他参演由陈凯歌执导的东方奇幻电影《无极》,因在片中饰演小无欢一角而为观众熟知。2006年,史磊与刘雪华,施羽合作出演民国家庭剧《春天后母心》,饰演常常和弟妹们斗嘴却心地善良的陈天柱。2007年,他与陈道明,胡军合作出演古装历史剧《卧薪尝胆》,饰演越王勾践的弟弟纪侩王子。2008年,他在古装剧《鹿鼎记》中饰演了少年康熙一角,再次受到关注。2009年5月,史磊与郭冬临,刘敏合作出演古装情景剧《万卷楼》,饰演讲究繁文缛节的学堂班长东郎。10月,他在古装武侠剧《倚天屠龙记》中饰演男主角张无忌的少年时期。2010年,他与赵薇,甄子丹合作出演武侠电影《锦衣卫》中,饰演锦衣卫指挥使青龙哥哥。2011年3月,史磊在传记电影《我的少女时代》中饰演性格外向的农村孩子三梆子。4月,他主演情感电影《胡杨深处是我家》,饰演性格叛逆的汉族少年高泽。7月,他主演献礼影片《少年邓恩铭》,饰演受到革命思想启蒙,追求真理的少年邓恩铭。2012年,他在张纪中监制的古装神话剧《西游记》中饰演金角童子一角。社会活动2013年,史磊主演现实题材影片《插班生》,饰演想要实现上学愿望的农民工之子王小宝。同年,他在年代传奇剧《浦江危情》中饰演家族遭遇灭门之灾的少年谢之飞。2014年,史磊与范明,杨立新联袂主演都市情感轻喜剧《老爸太囧》,饰演货车司机朱耀飞的儿子朱奔。2015年,他主演科幻动作剧《正义联盟》,饰演为寻找父母失踪原因而重走探险路的男孩明肃。2016年,史磊出演由柯威执导的当代都市电影《小角色》。同年,他受邀参加安徽卫视《国剧盛典》,在现场演唱了歌曲《大梦想家》。2018年,在破次元时尚喜剧《内衣先生》中饰演陈家静。2020年参演电视剧《一路上有你》,饰演赵勇。2021年3月12日,主演的超级悬疑推理剧《不能犯规的游戏》开播；9月30日,参演的抗美援朝电影《长津湖》上映。2022年8月25日,参演的悬疑刑侦剧《罚罪》播出。
家庭史磊出身军人世家,从小受家庭环境熏陶,让他成长为一个坚强自立的男孩；他的舅爷是军旅演员兼导演邢吉田,他的姥姥,姥爷和爷爷也都是军人。
2017年1月,史磊作为嘉宾出席了安徽卫视国剧盛典,并献唱《大梦想家》。《时尚健康》杂志拍摄2017年10月,中国电影股份有限公司在北京举办了以“为人民创作,为时代讴歌”为主题的发布会,史磊身穿银灰色西装惊喜亮相。2017年11月,代表《六年,六天》剧组出席第四届丝绸之路国际电影节。2018年1月,史磊现身北京国际网络电影节闭幕式,并作为颁奖嘉宾颁奖。2018年2月,时尚轻喜剧《内衣先生》在北京举办定档发布会,史磊作为男主角扮演者身穿蓝色西装帅气亮相。
史磊的声音纯真明快,充满童真,他说话带着淡淡的京腔,回答问题时很有礼貌,在他身上看不到一点虚荣和装腔作势。他在古装剧《鹿鼎记》中饰演小康熙一角受到好评,观众们认为他不仅长得可爱,而且将角色演绎得非常到位。史磊在《中国式离婚》,《倚天屠龙记》等影视作品中饰演了许多个性不同的角色,给观众带来了一次次的惊喜,也让他积累了丰富的表演经验。上了大学的史磊长相更加清秀,时尚气息很浓,散发出青春阳光的气质,对表演也有了更深刻的理解。