2004年，仍在中戏就读大二的徐百卉主演了第一部电视剧《
小留学生》，该剧
也是我国首部讲述
小留学生生活的电视剧，剧中饰演清纯可爱、独立善良的刘莼。
2005年主演了章明导演的电影《
结果》以及张纪中担任制片人的电视剧《碧血剑》，剧中饰演红娘子一角。
2006年和邓超、殷桃等搭档主演了电视剧《
爱了散了》，剧中饰演痴情流浪歌手艾艾；同年还接拍了《日月凌空》、《
数风流人物》，搭档演员有刘晓庆、焦恩俊、江珊、任泉等。
2007年，在年代剧《纯真岁月》中搭档陶红、何政军出演了青年时期的麦思丹一角；在央视的奥运献礼剧《超越极限》中饰演了年轻记者于林，搭档演员有颜丹晨、桑伟淋、计春华等；在张建栋导演的医疗题材大剧《柳叶刀》中与王学兵、李光洁、张歆艺搭档，饰演一名坚强乐观的心脏病患者丁凝夏。
2008年，在导演兼主演连奕名的电视剧《中天悬剑》中饰演执着的柳纤纤，在武然导演的电影《吃葡萄不吐葡萄皮》中主演邓芯一角，在袁刚导演的古装情景喜剧《万卷楼》中饰演慧莲，在《爱的方式》中搭档王姬、王毅、丁勇岱等饰演犹豫懦弱的钟少霞。
2009年出演了汪俊导演的清宫剧《苍穹之昴》以及韩刚导演的电视剧《孔子》，分别饰演青筠和颜征在。
2010年出演了李龙跃导演的电视剧《国脉风云》；并再次与导演张建栋、演员王学兵等合作拍摄医疗题材大剧《
无影灯下》，饰演医生陆亚南；同年，还在电视剧《中国1921》中饰演陶斯咏，搭档演员有谷智鑫、李沁等。
2011年先后和苏舟导演合作了战争剧《战争不相信眼泪》，饰演巾帼不让须眉的蓝蔚青；以及年代剧《代号十三钗》，饰演沉着冷静、深藏不露的徐子晏。
2012年和李雪健、陶慧敏等合作出演了都市家庭伦理剧《有你才幸福》，并在年代剧《那年来了鬼子兵》中搭档黄海冰主演了豪爽霸气的大当家尹秀茹。
2013年，再次和汪俊导演合作主演了电视剧《
我的儿子是奇葩》，剧中饰演了直率泼辣的湘妹子何花；与导演余淳、演员王雷合作拍摄了电视剧《裸嫁时代》，剧中饰演白杨一角；在电视剧《
淑女之家》中饰演正宗的文艺女青年方琪；以及在医疗大戏《
产科医生》中主演隐藏巨大故事的“逗比医生”朱爱萍。
2014年，在余丁导演的电视剧《
决杀》中饰演高级特工赵小雪；在郑晓龙导演的电视剧《芈月传》中饰演孟昭氏；并在刘雪松导演的电视剧《
风云年代》中饰演米兰妮一角。
2015年，在金牌编剧王丽萍统编、导演夏晓昀执导的都市情感剧《大好时光》中饰演知性干练的会计师珊珊；和林江国合作出演了由李舒执导的军垦题材电视剧《大牧歌》，剧中饰演外表柔弱、内心坚强的医学院毕业高材生许静芝。
