王小伟出生在山东青岛，自幼并未接触过影视行业。母亲是从事餐饮行业，一心想把其培养成“优秀的厨师”。一次偶然的机会，王小伟通过影视兴趣班接触到了表演专业，被表演老师发掘其身上的演绎天份，从此踏上了学习表演的道路，而后进入影视行业。

2009年，王小伟在赵浚凯执导的抗战剧《平原枪声》中饰演“肖阳”一角进入娱乐圈；同年，其首部电影作品《双姝血案》也与观众见面，在片中饰演“宁为”。2010年，参演了路奇执导的电视剧《东方》，首次出演历史人物“毛岸青”，并出演了电视剧《警察日记》。

2011年，与颜丙燕、于震等共同出演抗战剧《走出硝烟的女人》，凭借热血战士“张虎”这个角色得到了更多关注；同年，参演了古装历史剧《瀛寰之志》，塑造了“郑义达”这一反派角色，并出演周盅光执导的电影《绝无退路》。2012年，在励志剧《赖汉的幸福指数》中，饰演男二号“贾明亮”；同年，参演电视剧《走进看守所》，并在抗战剧《那年来了鬼子兵》中出演柔弱指导员“苏欣”。2013年，在电视剧《姥爷的抗战》第二季中饰演日本帝国特高科科长“义雄”，再次挑战反派角色；同年，出演了都市剧《让生活充满阳光》以及年代剧《大当家》。

2014年，王小伟在赵浚凯执导的抗战剧《大刀记》中，变身国民党税警团神枪手“杨颂华”；并参演了由何东兴、刘方执导，何晟铭、阚清子等主演的年代动作剧《杜心五传奇》；同年，参演了年代悬疑探案剧《神探杨金邦》以及抗战剧《战火红颜》。2015年，王小伟出演了谍战剧《孤战》，饰演日军少佐“大岛”。

2016年，参演了由韩雪主演的年代剧《乱世丽人行》；同年，在电视剧《学生兵》中饰演反一号“浅川达野”；并出演了青春历史传奇剧《思美人》，重塑秦国第一武将“樗里疾”；在现代谍战剧《守卫者》中，王小伟再度突破，饰演有海归背景的高级特工Steven，剧中更不乏与自己女友kate柔情似水的生死感情戏份；在年代传奇影片《英雄烈》中，王小伟充分展现了其亦庄亦谐的可塑性，饰演为争夺利益不择手段的大土匪张怀义。

2017年，在由李雪健、张涵宇、连奕名、何中华、韩栋等出演的电视剧《天下长安》中饰演第一个登上长安城被誉为“唐朝第一勇士”的大将军雷永吉。

在拍摄电视剧《思美人》时，为了能还原一个更真实的历史人物，王小伟翻阅了大量历史书籍做为参考。并与导演、编剧老师讨论，在表演时加入了具有独特的王小伟式风格的表演方式对该人物进行独创的诠释，得到该剧制片人和导演的高度认可。

王小伟在电视剧《那年来了鬼子兵》中摒弃了以往硬气、铁血的人物风格。饰演文弱且柔情的新四军指导员苏欣。随着三伏天的到来，横店进入了酷热时期，中午时段地面温度甚至会达到三十八九摄氏度，王小伟就是在这样的情况下坚持拍摄且毫无怨言，其敬业的态度也赢得了剧组人员的一致称赞。