1989年，林家栋开始了演员生涯，在出道后长达七年的龙套生涯里，他扮演的角色多数没有台词、也没有名字，有时还需要赤膊上场充当替身。直到1995年，林家栋被监制梅小青相中，在讽刺喜剧《娱乐插班生》中饰演蔡君夏，并模仿张学友，由于模仿十分神似，因而入选“十大最受欢迎电视艺员”之列，开始受人关注。

1996年，林家栋首次在剧中担任男主角，与关咏荷、廖伟雄、朱咪咪、陈嘉辉共同主演古装爱情剧《河东狮吼》 ，饰演宋代才华横溢的才子苏东坡；同年，他与陈锦鸿、郑少秋、郑裕玲、陈松伶合作主演民国爱情恩仇连续剧《新上海滩》，饰演许文强的助手丁力。

1997年，与周海媚、郭少芸、陈启泰合作主演爱情喜剧《大闹广昌隆》，分别饰演许大广和陆运广两个角色，并凭该剧与周海媚共同获得TVB30周年台庆万千星辉颁奖典礼上荣获最佳感人恋情演绎奖；同年，他与郭少芸、马德钟、黎耀祥合作主演时装喜剧《乐坛插班生》，饰演无意入乐坛的新人培。之后，又陆续在时装奇谈电视剧《隐形怪杰》中饰演乐天开朗的记者区志立，时装戏剧《美味天王》中客串容浩佳；香港古装武侠喜剧《英雄贵姓》客串关阿牛等角色。

1998年，在古装喜剧《林世荣》中饰演林世荣，与郭可盈饰演的阿娣展开一段欢喜恋情；同年，与袁洁莹、黎耀祥、关宝慧合作主演时装爱情剧《缘来没法挡》，饰演生计兼职代客泊车的收数员关家仁。之后，林家栋、与张可颐合作主演《难兄难弟之神探李奇》，饰演志大才疏的谢四。

1999年，出演古装推理剧《布袋和尚》，饰演布袋和尚许德。同年，主演乡土剧《茶是故乡浓》，该剧播出后取得38点的收视率，结局篇的收视比例亦高达91%，林家栋饰演的方有为更获得翌年TVB33周年台庆万千星辉颁奖典礼“我最喜爱的电视角色”。

2000年，林家栋与佘诗曼、江华合作主演香港无线电视33周年台庆剧《碧血剑》，饰演正义爱国的青年袁承志；此外，他还与张家辉、欧阳震华、关咏荷合作主演了古装喜剧《金装四大才子》，在剧中饰演温文尔雅、热血憨厚的才子文徵明。

2001年，与陈浩民、郭可盈、叶璇合作主演生活伦理剧《美丽人生》，饰演豁达开朗、重情重义的戴福生。同年，他离开无线台，经过万梓良的介绍，他认识了刘德华，并签约其创立的亨泰环宇有限公司，开始向电影行业发展 ；同年，他首次与刘德华合作，在电影《爱君如梦》中饰演了王一飞一角，并凭借该影片获得第21届香港电影金像奖最佳男配角奖提名。之后，又担任TVB综艺娱乐节目《星光熠熠耀保良》司仪。

2002年，《茶是故乡浓》重复播出，林家栋以12674票、40.62%的得票率赢得“《二条剧场》第四季度最受欢迎男演员”称号。

2005年，他与任达华、梁家辉、古天乐、张家辉合作主演惊悚犯罪类电影《黑社会：龙城岁月》，饰演有勇无谋的东莞仔，并凭此次出演获得第11届香港电影金紫荆奖最佳男配角提名；同年10月11日，主演的古装悬疑剧《天涯追辑令》登陆北京电视台BTV2晚间黄金档。

2007年，受邀参加毛舜筠、陈淑兰及谷祖琳主持《有线》节目，就离开无线往外闯这一问题接受访谈。

2008年，林家栋与甄子丹、熊黛林、任达华、樊少皇合作主演的动作电影《叶问》，饰演忍辱负重、内心复杂的日军翻译官李钊，并凭借该影片获得第28届香港电影金像奖最佳男配角提名和第9届华语电影传媒大奖男配角提名 。

2010年，林家栋监制的首部动作电影《打擂台》上映，该片由刘德华投资，后获第30届香港电影金像奖最佳电影奖，第17届香港电影评论学会大奖最佳电影奖；同年4月至11月，受邀担任曾志伟等主持的《超级游戏奖门人》节目嘉宾。

2012年，林家栋和刘德华结束12年宾主关系，宣告正式独立，并开始筹备建立公司制作电影等项目；同年4月，他与曾志伟，曾宝仪，郑中基、杨颖一同担任第31届香港电影金像奖颁奖典礼主持人；11月，他与郭富城、梁家辉、杨采妮主演警匪动作电影《寒战》，饰演忠奸难辨的高级警司邝智立，并凭借该片获得第32届香港电影金像奖最佳男配角提名。

2013年4月，林家栋与曾志伟、郑中基、林晓峰共同担任第32届香港电影金像奖颁奖典礼主持人；同年12月，他在动作枪战电影《风暴》中首次担纲男主角，饰演充满正能量的古惑仔陶成邦。

2014年，与古天乐、刘青云合作主演犯罪剧情片《窃听风云3》；8月，参加林德禄执导反贪犯罪电影《反贪风暴》，饰演迂腐贪婪的警司黄文彬。

2015年2月6日，与古天乐、张翰主演电影《神探驾到》上映；4月3日，主演电影《三更车库》上映；4月19日，林家栋再次担当司仪，与杨千嬅及陈小春共同主持第34届香港电影金像奖颁奖典礼；同年9月17日，林家栋与秦岚合作主演的犯罪推理动作片《别有动机》上映；11月，他还在尔冬升监制，罗志良执导犯罪嫌疑动作电影《消失的凶手》中饰演了一位教授 。

2016年3月，与文咏珊合作主演悬疑电影《凶手还未睡》，饰演一位富二代；4月7日，主演的警匪片《树大招风》在中国香港公映，他在剧中饰演香港犯罪史上恶名昭彰的三大贼王之一季正雄；该影片入围第66届柏林国际电影节新电影国际论坛，并于影展上全球首映；4月22日，参演的香港喜剧警匪爱情片《刑警兄弟》上映；同年，与宋佳、胡歌、颜卓灵合作主演了悬疑犯罪电影《那年夏天你去了哪里》。

2017年4月，林家栋主演的电影《树大招风》获得第36届香港电影金像奖最佳影片、最佳剪辑及最佳导演等4个奖项，他亦凭借该片夺得最佳男主角；5月，与古天乐、刘青云、张晋等合作主演黑帮传奇电影《毒。诫》，在片中饰演对茅趸华不离不弃的好兄弟喇叭；6月，其主演的爱情电影《此情此刻》正式在中国大陆上映，剧中他饰演了照相馆老板陈家辉；8月，在动作片《杀破狼·贪狼》中以全泰语演绎反派角色郑汉守；同年，他还出演恐怖电影《常在你左右》。

2019年4月4日，其主演的犯罪动作电影《反贪风暴4》上映 ；6月，主演警匪题材电影《追龙Ⅱ》，饰演怀着复仇的心态潜伏在“世纪悍匪”龙志强身边的博士；12月6日，主演的悬疑犯罪电影《迷局伏香》上映，饰演前澳门司警梁镜晖。

2020年10月，与白只、太保、袁富华、钱小豪共同主演的电影《手卷烟》发布最新预告；10月18日，与郭富城主演的电影《断网24小时》杀青。2021年，主演的香港本土题材影片《鸡蛋仔》开机。

2021年5月1日，与古天乐、梁家辉、吴镇宇领衔主演剧情犯罪电影《追虎擒龙》，饰演廉政公署“黑白双煞”白松安 ；5月4日，参演的喜剧电影《总是有爱在隔离》在爱奇艺上线。