2010年底，王俊凱通過甄選進入TF家族，在TF家族練習生訓練期間，於2011年9月以TF家族名義發行EP《我不要改變》。作為TF家族的成員參與演唱了《我不要改變》、《我們曾在壹起》、《時光機》，其中，《我們曾在壹起》被酷狗音樂重點推薦。
2012年開始錄制TF家族自制綜藝節目《TF家族面對面》、《TF家族新聞播報》等TF家族自制綜藝節目錄制。2月，發布的翻唱作品《囚鳥》及《我要快樂》，其中《囚鳥》被搜狐、優酷等網站首頁推薦。5月，參與遼寧衛視《天才童聲》節目錄制，7月，發布與王源合作翻唱作品《壹個像夏天壹個像秋天》，視頻被範瑋琪轉載 ；8月，與王源合唱家族原創作品《我們曾在壹起》；9月，王俊凱發布衛生間自拍翻唱作品《我的歌聲裏》；10月，與王源參加安徽衛視《黃金年代》錄制，現場演唱《我的歌聲裏》；12月發行第二張EP《青蛙也會變王子》，收錄曲目《青蛙也會變王子》、《小情歌》、《人質》、《我的歌聲裏》等。
2013年2月，與王源***同翻唱歌曲《到不了》；3月，王俊凱和王源做客《56紅人館》 ；4月1日，與王源***同翻唱歌曲《當愛已成往事》，以此紀念張國榮逝世十周年，這段視頻在網絡上不斷被轉發，於4月4日在優酷、56等視頻網站點擊量突破40萬 。6月1日，於兒童節當天發布與王源及TFBand合作翻唱作品《洋蔥》，視頻被五月天阿信、劉若英轉載，6月4日，王俊凱和王源版《洋蔥》被臺灣《中天新聞》播報。7月籌備出道，與王源、易烊千璽成中國內地青春勵誌組合，公司邀請曾擔當李孝利專輯制作人的韓國音樂團隊為組合量身打造歌曲，並在韓國完成了專輯歌曲的後期制作。
2013年8月6日，TF家族官方發布TFBOYS形象宣傳片《十年》，王俊凱與王源、易烊千璽三人組成中國內地青春勵誌組合TFBOYS正式出道，王俊凱擔任組合隊長 。10月4日，《Heart夢·出發》首唱會於重慶渝中區日月光中心舉行。10月18日，正式發行出道EP《Heart夢·出發》，11月8日，與王源***同翻唱歌曲《董小姐》，在網絡上首發。
2014年3月，王俊凱開始參演TF家族自制短劇《男生學院自習室》 ；5月20日，與王源、易烊千璽壹起參加湖南衛視《快樂大本營》的錄制，節目於5月31日播出 ；6月15日，與王源、易烊千璽壹起簽約代言步步高家教機，成為步步高家教機“首席體驗師” ；7月3日，與王源、易烊千璽壹起為動畫電影《洛克王國3：聖龍的守護》演唱影片主題曲《魔法城堡》 ；7月3日，與王源、易烊千璽壹起演唱青春電影《我就是我》的主題曲《想唱就唱》，作為電影第二彈主題曲 ；7月9日，央視勵誌少年才智秀《少年中國強》發布會在北京舉行，王俊凱與王源、易烊千璽壹起受邀成為該節目的推廣大使，並獻唱節目主題曲《HEART》 ；7月23日，與王源、易烊千璽壹起參與《少年中國強》第壹期節目的錄制，現場表演《青春修煉手冊》，於8月15日在央視壹套播出 ；8月1日，與王源、易烊千璽助陣ChinaJoy ；8月5日，《熱力賽車》新聞發布會在上海召開，與王源、易烊千璽壹起受邀成為該遊戲的代言人 ；8月6日，為代言品牌“步步高家教機”拍攝的，以TFBOYS自身為藍本的勵誌MV《為夢想，時刻準備著》於淩晨首發 ；8月10日，與王源、易烊千璽壹同正式成為雅客品牌代言人，並擔任 “快樂使者” ；8月18日，TFBOYS組合的《青春修煉手冊》MV上線，該MV打破5項V榜吉尼斯，奪取中國內地音樂榜冠軍 ；8月26日，TFBOYS組合在重慶舉辦”步步高體驗師之旅暨粉絲見面會“；8月27日，與王源、易烊千璽出席星影聯盟發布會，現場表演《青春修煉手冊》 ；8月28日，與王源、易烊千璽參加深圳衛視《年代秀》的錄制，節目於9月13日播出 ；9月1日，2014年《開學第壹課》在央視壹套綜合頻道開播，TFBOYS組合演唱主題曲《開學第壹課》；9月8日，TFBOYS組合參與“蘇州月·中華情——2014中央電視臺中秋晚會”直播節目，表演新版編舞的《青春修煉手冊》 ；並在早期參與湖南衛視中秋晚會的錄制，表演原版編舞的《青春修煉手冊》 ；9月12日，TFBOYS組合發布歌曲《幸運符號》；9月13日，愛奇藝出品，為TFBOYS量身打造的中國首檔偶像全紀錄節目《TFBOYS偶像手記》，每周六、日晚20:00在愛奇藝、PPS全網首播 ；9月24日，TFBOYS組合專輯單曲《幸運符號》MV首發 ；10月17日，TF家族《TF少年GO！》第二季於騰訊視頻全網首播 ；10月27日，TFBOYS組合發布歌曲《信仰之名》 ；11月25日，TFBOYS參加“2015騰訊視頻V視界”大會並登臺表演；12月6日，TFBOYS組合在愛奇藝尖叫之夜榮獲“最受歡迎組合”與“年度金曲”兩大獎項，並登臺表演 ；12月10日，與王源、易烊千璽壹起參與《天天向上》節目錄制；12月17日，TFBOYS組合受邀參與央視節目《過年七天樂》的錄制；12月31日，TFBOYS參與了江蘇衛視跨年演唱會的錄制 。
2015年，TFBOYS組合參與中央電視臺“心連心”藝術團赴古田鎮進行慰問演出，節目於1月10日晚19:30在中央電視臺綜藝頻道播出 ；“微博之夜”於1月15日在京舉行，TFBOYS組合榮獲 “微博年度公益貢獻獎” ；1月19日，蒙牛集團蒙牛酸酸乳正式公布TFBOYS組合做為代言人 ；2月8日，TFBOYS 組合錄制北京衛視《北京電視臺春節聯歡晚會》，節目於2月19日播出 ；2月11日農歷小年，TFBOYS組合登湖南衛視“在壹起喜洋洋”小年夜，演唱《快樂環島》 ；2月14日情人節，湖南衛視密室闖關節目《瘋狂的麥咭》第二季，TFBOYS與李維嘉、E哥***同變身“守護天使”，為萌娃闖關贏取石像 ；2月23日，CCTV-3播出《CCTV過年七天樂》；2月28日，在深圳參加步步高家教機舉辦的《步步高家教機超級公開課》，圓粉絲“和TFBOYS做同學”的夢想，還以“步步高家教機首席體驗師”的身份，前往步步高總公司參觀體驗，並親手制作步步高家教機 ；3月，由張藝謀執導，馬特·達蒙、劉德華等中美明星出演的魔幻題材電影《長城》於3月底開拍，王俊凱飾演皇帝 ；3月6日，《TF少年GO》第三季回歸，騰訊視頻獨家首播 ；3月20日，組合發布單曲《寵愛》 ；3月22日，錄制《快樂大本營》；3月25日，出席《2015QQ音樂年度盛典》，榮獲華語最受歡迎組合和新勢力組合兩項獎項，現場表演《青春修煉手冊》 ；3月30日，《夢幻西遊2》動畫片宣布正式牽手TFBOYS組合，為動畫片獻唱主題曲，方文山作詞 ；當日晚，第22屆東方風雲榜音樂盛典在上海奔馳文化中心落幕，TFBOYS組合囊括最佳組合和年度風雲組合兩個獎項，現場首唱單曲《寵愛》 ；4月10日，TFBOYS攜抒情勵誌單曲《樣（YOUNG）》回歸 ；4月11日，第三屆音悅V榜年度盛典在北京萬事達中心舉行，TFBOYS將“內地最具人氣歌手”、“內地年度風向藝人”和“音悅直播人氣歌手”三個獎項收入囊中 ；4月13日，2015音樂風雲榜年度盛典深圳灣體育中心舉行，首度以代言人身份出席盛典的TFBOYS拿下“年度最受歡迎內地組合獎”，並憑借《青春修煉手冊》獲“年度最受歡迎歌曲”大獎 ；4月14日，《夢幻西遊2》動畫片主題曲《戀西遊》正式發布 ；4月24日，《樣YOUNG》MV全網發布 ；5月28日，TFBOYS組合參與錄制中央電視臺“歡樂的節日”六壹晚會 ；6月12日，與王源合作發布翻唱歌曲《明天妳好》；6月22日，吉尼斯世界紀錄正式宣布王俊凱2014年9月21日發布的壹條博文，截至2015年6月19日中午12點***產生42,776,438條轉發，獲得吉尼斯世界紀錄?“轉發最多的壹條微博信息”的稱號 ；8月15日，TFBOYS在北京萬事達中心舉行出道兩周年見面會TFBOYS Fans'Time，創騰訊視頻Live Music在線演唱會5大行業記錄 ；8月28日，周傑倫為TFBOYS量身打造的單曲《剩下的盛夏》首發 ；9月19日王俊凱於重慶舉辦個人生日會回饋粉絲，該生日會進行了現場直播，***吸引了超過100萬粉絲在線觀看 ；10月22日，湖南衛視實境戶外遊戲綜藝節目《全員加速中》公布TFBOYS加盟 ；同年，王俊凱首次參演電視劇《小別離》，飾演學生李想 ，並且將出演《青雲誌》飾演少年林驚羽 ；11月27日，2015百度沸點人氣尖叫榜，選出最具價值的人氣明星，王俊凱人氣投票率達33947102票，獲得“人氣王”稱號，躍居榜單第壹名 。2016年2月7日，在央視春晚聯歡晚會上演唱歌曲《幸福成長》。 2016年3月，與王源、易烊千璽***同主演的網絡劇《超少年密碼》在廈門開機。