二零一二年，杜天皓因其独特的气质与潜力，获得了台湾地区可米瑞智文化传播事业有限公司董事长兼总经理柴智屏的赏识。柴智屏亲自发掘并邀请他加入由青年作家郭敬明执导的电影《小时代》的拍摄工作。同年十二月，电影《小时代》的制片方正式对外公布，片中“卫海”这一重要角色确定由杜天皓出演。在电影作品图集中，可以看到他早期的银幕形象。时间来到二零一三年，杜天皓参演的电影《小时代》与《小时代2：青木时代》先后登陆院线与观众见面。他在剧中饰演的卫海一角，与由“hold住姐”谢依霖所扮演的唐宛如之间存在着大量精彩纷呈的对手戏份，两人在剧情中始终处于一种微妙的暗恋与被暗恋的情感纠葛之中，这种剪不断理还乱的人物关系也为影片增添了不少看点。二零一四年七月十七日，他参演的另一部电影作品《小时代3》正式在中国大陆地区公映。进入二零一五年，他的演艺与综艺活动更为活跃。一月，他参与了综艺节目《奇妙的朋友》的录制，随后又跟随节目中的李宇春、杜海涛等知名嘉宾一同参与了《快乐大本营》奇妙的朋友专场录制。同年六月，他受邀参加了金鹰卡通卫视推出的大型原创幼儿成长真人秀节目《爱上幼儿园》，在节目中担任老师一职，其温暖亲切的笑容以及对小朋友们充满爱心与耐心的细致照顾，赢得了无数电视观众的喜爱与赞赏。七月，由知名主持人何炅首次执导的校园青春电影《栀子花开》在全国范围内公映，杜天皓在片中亦有参演。此外，在同一年度，他还参与了青春题材的电影以及网络剧《睡在我上铺的兄弟》的拍摄工作。二零一六年一月十日，在由旅游卫视主办的《中国校花男神大赛》选秀大赛决赛现场，杜天皓受邀担任了评委嘉宾。同时，他也参与了爱奇艺平台王牌综艺栏目《大牌对王牌》的录制，在该节目的“追爱大作战”特辑中，他与同期嘉宾罗云熙、郭晓然、金泽灏等人共同完成了节目内容。也是在这一年，他参演了电影《夏天19岁的肖像》，该片当时定档于二零一六年暑期档，计划与广大观众见面。《时装》杂志 (1)《时装》杂志 (2)《时装》杂志 (3)杜天皓 (1)杜天皓 (6)杜天皓 (7)杜天皓 (8)杜天皓 (9)杜天皓 (10)精品购物指南 (1)精品购物指南 (2)我们的街拍时刻 (1)我们的街拍时刻 (2)我们的街拍时刻 (3)我们的街拍时刻 (4)我们的街拍时刻 (5)杂志时尚大片图集6我们的街拍时刻 (7)我们的街拍时刻 (8)我们的街拍时刻 (9)我们的街拍时刻 (10)我们的街拍时刻 (11)我们的街拍时刻 (12)我们的街拍时刻 (13)我们的街拍时刻 (14)我们的街拍时刻 (15)我们的街拍时刻 (16)我们的街拍时刻 (17)我们的街拍时刻 (18)我们的街拍时刻 (19)我们的街拍时刻 (20)杂志时尚大片图集杂志时尚大片图集杂志时尚大片图集二零一七年五月十九日，他与闫妮搭档主演的治愈系情感喜剧电影《美容针》上映，在片中他饰演了一位充满朝气的阳光少年小健。随后在八月二十五日，由他与朱茵领衔主演的奇幻爱情喜剧电影《二次初恋》也登上大银幕，他在片中饰演了叶兰的侄子路大民一角。二零一九年，他主演了青春奇幻爱情电影《写给往昔的未来》，继续在演艺道路上探索。直至二零二一年八月二十日，他出演的职场悬疑题材电影《独家头条：初露锋芒》在全国影院上映，为其演艺履历再添一笔。
杜天皓凭借其强健的体魄、挺拔高大的身材以及英气勃发的出众外貌，成功吸引了知名影视制作人柴智屏的注意与赏识，并获得了对方亲自发出的拍戏邀约，其演艺事业可谓前景广阔，一片光明。与当时许多明星普遍采用的自嘲或自黑路线截然不同，这位初入演艺圈的新生代演员杜天皓，反而展现出一种颇具传统意味的、属于帅哥的自觉与自我修养。在参与节目录制的整个过程中，杜天皓始终是格外注重个人外在形象的一位，他经常以墨镜与时尚帽饰作为必备搭配，造型前卫，潮范儿十足，时刻保持着精心打理过的公众形象。
二零一五年一月二十四日，随着《奇妙的朋友》节目的首次播出，演员杜天皓的个人微博迅速被大量网友的评论所淹没，其中充斥着激烈的指责与谩骂。引发这一舆论风波的主要原因在于，观众认为他在节目中的两处表现颇为失当：首先是在某一场景中，他当着三位女嘉宾的面，仅身着一条内裤便从卧室走出并随意走动，这一行为被许多观众批评为“不顾颜面”且缺乏基本的礼节意识；其次，在与李宇春共同完成照顾考拉的任务时，他表现出明显的退缩与回避，未能主动承担协作责任，这也被众多网友指摘为“欠缺绅士风度”，未能展现出合作中应有的担当与体贴。这两点行为在节目播出后迅速成为热议焦点，直接导致了其社交媒体账号下出现大规模的负面评论。