2003年，接拍电视剧《小兵张嘎》，饰演主角嘎子（张嘎）而成名。

2006年以全国生、旦、净、丑专业总排名第一的成绩考入中国戏曲学院。同年，出演自已演艺生涯由焦小雨执导的第一部电影《龙的使命》，饰演小龙。

2007年，在与叶青青、刘景毅联袂主演的电影《继母日记》中饰演韩子毅；同年还出演电影《铁警雄风》，《留下来陪你》。电视剧方面，出演成浩导演作品《纯真年代》。

2008年，与杨丽晓、徐松子、张志彤主演阎建钢指导电影《一声唿哨》，在影片中饰演千勇。

2009年年初，谢孟伟接拍了献礼片《铁人》，在这部根据王进喜的先进事迹改编的影片《铁人》中，谢孟伟扮演的是王进喜最小的徒弟“小豹子”孙明元。同年，出演军旅题材的电视剧《我的团长我的团》。

2010年，在电视剧《为了新中国，前进》中，扮演董存瑞的同乡兼战友郅振彪。同年，与王宝强联合出演电视剧《夺宝》，饰演神枪手。

2011年，加盟电影版《小小飞虎队》，大展搞笑天赋，为电影增加不少趣味。同年，还与朱时茂，钟梅，苏瑾主演电影《让我再抱抱你》，饰演孙强。

2012年，与吴奇隆、甘婷婷、王新等共同主演电视剧《向着炮火前进》，饰演爱恨分明、敢作敢为的桩子。

2013年，谢孟伟加盟由云南卫视主办的青春纪实节目《士兵突击》，圆了自己的军人梦。

2013年，谢孟伟与王挺、王珂、王新等共同主演电视剧《英雄联盟》，饰演明面上是商人，背后实为锄奸小分队队员的余文墨。

2014年，与吴奇隆、唐于鸿、王新合作，主演都市电视剧《向着幸福前进》，饰演李强。同年与谭凯、蒋欣、程煜合作主演电视连续剧《边城》，饰演梁文权的助理。

2015年，在高能喜剧《非常同伙》中挑战反派角色 。谢孟伟主演的都市温情大戏《背着奶奶进城》于11月6日在山东卫视播出 。

2017年1月2日，参演电视剧《向着幸福前进》首播。

2018年1月11日，谢孟伟自导自演的电影《无主之城》上映。2月，加盟综艺节目《中国梦想秀》。8月4日，参加综艺节目《暑期好味到》。8月29日，参演的电视剧《杨光的快乐生活之好好先生》播出

《小兵张嘎》是一部革命小说，与2006年12月出版。《小兵张嘎》是《百年经典》中的一册，小说以一级战斗英雄燕秀峰为原型，讲述了抗日小英雄张嘎与敌人斗智斗勇的故事。

1963年，由该小说首次改编的电影在全国公映，2004年小说改编的由谢孟伟主演的电视剧播出，2005年人民美术出版社出版了《小兵张嘎》经典连环画。