二零零零年，单思涵顺利考入北京舞蹈学院附属中学，开始在中国舞学科进行系统性的专业学习。三年后，他在第八届“桃李杯”舞蹈大赛中脱颖而出，荣获少年甲组优秀表演奖，并因其出色的基本功和表现力，被选为中国古典舞基本训练教材与教法（中专阶段）的示范样本，为后辈学子提供了规范的学习范本。二零零六年，单思涵以全国专业第一的优异成绩，成功考取北京舞蹈学院中国古典舞系表演班，继续深造；同年，他再度于第九届“桃李杯”舞蹈比赛中获得优秀表演奖，并在第十一届北京市舞蹈比赛中，凭借其精彩演绎的舞蹈作品《莫高印象》，一举夺得专业组表演一等奖，展现了扎实的舞蹈功底与艺术感染力。二零一零年，单思涵以考核第一名的身份加入中国东方演艺集团，担任主要演员，在团期间他因业务精湛、表现突出，被评为“突出贡献个人”，并荣获由中华人民共和国文化部颁发的国家艺术院团优秀剧目展演优秀青年演员奖，其艺术成就获得了业内的广泛认可。
二零一二年，舞者单思涵迎来了其职业生涯的一个重要里程碑，他担纲主演的舞剧《红楼梦》成功首演，并在剧中精彩诠释了贾宝玉这一经典角色。自此之后，他的艺术道路愈发宽广，接连参演了包括《明安图》、《马可波罗》在内的多部风格各异的舞剧作品，不断积累着舞台表演的深厚经验。到了二零一五年，单思涵与知名舞蹈家王亚彬携手，共同主演了舞剧《青衣》，该剧于国家大剧院隆重首演，获得了业界与观众的广泛关注。次年，他的演艺事业实现了从舞台到荧屏的跨越，与冯绍峰、宋茜等演员联袂出演的玄幻题材电视剧《幻城》在湖南卫视播出，这标志着他正式步入了影视表演领域。 二零一七年，单思涵的影视作品持续与观众见面。他与张云龙、于朦胧等人合作出演的玄幻剧《轩辕剑之汉之云》登陆东方卫视，他在剧中塑造了外表高冷孤傲、内心却坚守正义的角色青衣久悠，给观众留下了深刻印象。同年，他还在湖南卫视播出的都市情感剧《人间至味是清欢》中亮相，与佟大为、陈乔恩等同台演出，饰演了名为思聪的角色，展现了其在现代戏中的不同面貌。 进入二零一八年，单思涵尝试了更为硬朗的角色类型，在于毅、周放主演的刑侦剧《走火》中，他饰演了网络黑客高华，这个角色拥有顶尖的技术能力，但性格却阴郁而狂妄，其复杂的内心戏份颇具挑战性。此外，同年他还参与了湖南卫视音乐创演秀《幻乐之城》的录制，在节目中展示了其多才多艺的一面。 二零一九年，单思涵的艺术探索更进一步，他参加了由著名导演张艺谋执导的青春艺术实验节目《花样中国》，该节目于北京卫视播出。紧接着，他在优酷视频播出的悬疑剧《漫长的告别》中与周峻纬、何晟铭合作，饰演了崔斌一角。同年，他还出演了当代题材剧集《大海港》，与李健、牟星合作，在剧中扮演了刘翔这个角色。 二零二零年，单思涵的荧屏形象更加多元化。他与张一山、潘粤明共同出演的谍战剧《局中人》上星播出，他在剧中饰演的江志豪一角，展现了其在历史正剧中的表演潜力。随后，在抗战题材电影《八佰》中，他与黄志忠、张俊一等众多艺人合作，饰演了船王之子的角色。同年，他还主演了在爱奇艺视频播出的纪录片《朕本凡人》，并在其中饰演了历史人物李存勖。 二零二一年，单思涵主演的古装剧《武当一剑》在央视八套播出，他在剧中成功塑造了侠肝义胆且刻苦努力的牟一羽，其古装扮相和武打动作获得了观众的认可。到了二零二二年，他再次在纪录片《王者的独白》的第一集中饰演了李存勖，进一步深化了对这一历史人物的理解和呈现。
凭借多年扎实的古典舞训练，单思涵在动作戏领域展现出了卓越的才能。他巧妙地将“武术”的刚劲力道与“舞蹈”的柔美韵律融会贯通，形成了刚柔并济、独具一格的表演风格，其打斗场面视觉呈现别具一格，令人印象深刻。这一深厚的功底不仅赋予他银幕上收放自如的动作表现力，更锤炼出他出众的形体控制力和优雅从容的个人气质。在当代题材作品《大海港》里，为深入诠释刘翔这一角色，他投入大量时间耐心钻研剧本，细致揣摩人物的心理轨迹与成长历程。而在爱情悬疑剧《漫长的告别》中，面对数场情感爆发力极强的关键戏份，他全情投入，以极具层次感的表演将崔斌性格中的温柔与细腻刻画得淋漓尽致，使得观众能够更深入地共情并理解剧中人物的复杂心境与情感变化。