2005年在古装宫廷剧《太祖秘史》中饰演“兴尼雅”一角而正式出道。 同年，在古装神话搞笑爱情电影《情癫大圣》中客串“天官”一角。2008年，参演古装神话剧《八仙全传》，饰演蓝采和；在民国苦情剧《爸爸天亮叫我》中饰演掌珠；同年参演民国爱情喜剧《多情女人痴情男》，饰演周蕴浓。 2009年，在革命青春励志剧《战火中青春》中饰演朵儿；同年参演古装神话剧《聊斋3之白秋练》，客串白秋菊一角；同年参演民国传奇历史剧《叫花子买办孟来财》并饰演源田春子。 2010年，由其主演的医患题材剧《大源奇事》播出；同年在古装破案剧《新包青天之七侠五义》中饰演梧桐。 2011年，在革命青春励志剧《洪流》中饰演赵天心；同年客串演出古装商业剧《大宅门1912》并饰演水灵；在《小白菜奇案》中大纲女一号，饰演小白菜；同年由其主演的古装剧《新施公案之龙凤错》播出，在该剧中饰演苏灵。 2012年，参演谍战剧《九死一生》，饰演古文雅；在青春偶像剧《加油妈妈》中饰演周语晨。 2013年，参演近代革命历史剧《飘帅》，饰演成熟冷静文武双全的共产党地下党员刑书媛；参演古装传奇剧《兰陵王》并分别饰演郑儿和冯小怜；参演都市情感励志剧《无声恋曲》，饰演时尚性感的酒吧歌手路雨纯；同年由其主演的古龙武侠传奇剧《陆小凤与花满楼》中饰演孙秀青。 2014年，参演青春偶像剧《加油爱人》，饰演范昀；同年在古装爱情剧《美人制造》中饰演东方青；在中泰合资青春偶像剧《守住你的秘密》中饰演宋琪；同年参演青春偶像剧《遇见爱情的利先生》，饰演齐珊珊。 2015年8月25日，与柳岩搭档主演的情感剧《两个女人的战争》播出，毛林林饰演善良单纯、为爱痴狂的知青女孩牛淑荣 。2016年7月15日，毛林林作为开篇四期的唯一女嘉宾，参加了全明星体能对抗类综艺节目《阳光艺体能》。 2016年11月24日，都市爱情大剧《爱情珠宝》华丽开播，毛林林饰演大家族中的“二嫂”，贤惠知性，操持安排着家里大小事务。