2001年3月，读大四的徐昂被人艺导演任鸣选中与同届表演系的陈好共同主演话剧《第一次的亲密接触》，徐昂饰演痞子蔡，这一次的演出使他被北京人民艺术剧院相中，大学毕业后正式加入北京人民艺术剧院。2002年，徐昂与任鸣联合执导话剧《男人的自白》。2003年，担任表现抗击非典的话剧《北街南院》的执行导演，该话剧是徐昂第一次当执行导演的作品，并由此开始其导演生涯。同年，执导并出演话剧《我爱桃花》，在剧中饰演冯燕。

2004年，徐昂首次独立执导小剧场话剧《情人》，该剧于2006年获得BESETO东京国际戏剧节金奖。2006年徐昂成立工作室，排演国际经典剧目，同年主演电视剧《家门》，在其中饰演顾先。2007年执导出演改编自让·日奈作品的话剧《女仆》，剧中徐昂和雷佳男扮女装，塑造了两个面貌和心灵同样丑陋的女仆。

2008年3月，改编自美国剧作家阿尔比的荒诞派剧作的《动物园的故事》于人艺剧场上演，徐昂在其中担任导演，该话剧意在探讨剧场与观众之间的微妙关系。10月出演北京人艺与日本四季剧团合作的话剧《哈姆雷特》，该剧剧本以英若诚的译本为基础修改而成，徐昂在剧中饰演国王克劳狄斯。12月，邹静之、刘恒和万方自组剧社“龙马社”，2009年3月，徐昂执导该剧社的首部话剧《操场》。2010年执导了根据美国作家约翰·斯坦贝克的短篇小说《约翰熊的耳朵》改编的荒诞戏剧《话份》（后接受观众意见改名《小镇畸人》）。

2011年，徐昂对日本剧作家三谷幸喜的作品《笑的大学》进行本土化改编，由此改编而成的话剧《喜剧的忧伤》由陈道明、何冰出演，该话剧于开票首日（2011年6月24日）便获得60万票房。2014年，徐昂在根据美国法律电影《十二怒汉》进行本土化创作而成的电影《十二公民》中担任导演  ，该影片于10月25日在罗马国际电影节上被评选为“当代电影”单元最佳影片，并摘得该电影节的“马可·奥雷利奥”奖，徐昂凭借该片获得第4届上海影评人奖最佳新人导演奖。

2015年在黄轩、曹征、高鑫主演的年代剧《猎人》中担任导演，该剧是徐昂在电视剧领域的首次涉猎。2016年在张若昀、焦俊艳主演的悬疑刑侦网络剧《法医秦明》担任导演。