早年經曆
王同輝從小就被父親“勒令”畫畫。1990年和1991年先後兩次報考北京電影學院美術系失敗。1991年考入西安美術學院油畫專業。
1995年本科畢業，王同輝被分配到西北大學美術系任教。但王同輝并不滿足，他怕過那種朝九晚五的生活，也怕自己資曆尚淺誤人子弟。一番思量後，王同輝決定做個自由人。偶然機會拍攝西服廣告，王同輝愛上了表演。之後王同輝報考過陝西電視台主持人，也讀過中國傳媒大學研修班以及北京電影學院表演班。
1995年和1996年考研，再次報考北京電影學院美術系失敗。1997年到1999年又先後三年報考北京電影學院表演系。1997年，王同輝複習考研，沈好放拍《二馬》找到他，他放棄考研來北京做前期準備，最終入選。1998年，邊拍《張大民》邊備戰考研。1999年，王同輝終于考研成功，進入北京電影學院表演系。
演藝經曆
1997年，首次主演由沈好放執導的、根據老舍小說改編的電視劇《二馬》，與陳道明飾演父子老馬和小馬。
1998年，出演沈好放執導的電視劇《貧嘴張大民的幸福生活》，飾演張大民的五弟張大國，被觀衆熟知。
1999年，主演沈好放執導的年代劇《九九歸一》，飾演東家少爺鄭奉時，年齡跨度長達60多年。
2000年，曆史題材劇《孫中山》飾演孫科。
2002年4月，刑偵懸疑劇《血玲珑》飾演醫生魏曉日。6月，與劇雪合作年代情感劇《親情樹》，飾演田風。12月，聯合呂良偉、顔丹晨主演中國版“基督山伯爵”《金手指》，飾演反一号費永嘉。
2004年，搭檔鮑國安、吳曉敏主演反特題材劇《如此多嬌》，飾演雲海東。
2005年，都市情感劇《别問我是誰》飾演扶危救貧、極富正義感的記者于家駒。
2006年7月，與王學兵、梁靜、殷桃主演懷舊情感劇《桃花燦爛》，飾演自信又自卑的單戀者朱亦文。11月，主演驚悚懸疑劇《怪罪》，飾演患有嚴重精神分裂、具有雙重性格的律師徐磊。
2007年4月，搭檔陳寶國、梅婷主演電視劇《女人淚》，飾演正義的銀行界精英鄭可玉，與陳寶國上演40年代“無間道”。6月，與李琳領銜主演石鐘山編劇的知青題材劇《紅顔的歲月》，飾演癡情知青何志誠。10月，搭檔劉蓓主演女性悲情劇《圍屋裡的桃花》，飾演紅軍指揮官周行疆
2008年2月，家庭倫理劇《家有公婆》飾演遭遇欠債、墜海、流亡一系列坎坷的高一飛。4月，與陳小藝、馮遠征合作情感懸疑劇《婚變》，飾演設計拆散他人婚姻、謀奪财産的韓軍。6月，主演抗震救災題材電影《前方後方》，飾演海軍軍醫靳剛。
2009年4月，搭檔陳小藝合作女性勵志劇《漂亮女人》，飾演極品好男人肖易軒。7月，偵探懸疑劇《偵探小說》飾演神勇探長俞笑舟。12月，與焦恩俊、孫菲菲合作戰争情感劇《等到勝利那一天》，飾演漢奸沈子鶴。
2010年5月，檢察官題材劇《正義的重量》飾演檢察官陳雷。11月，與萬梓良、趙文卓合作古裝武俠探案劇《七俠五義人間道》，飾演“錦毛鼠”白玉堂。
2011年6月，革命史詩大片《國家命運》飾演科學家錢三強。10月，搭檔曹穎、齊歡主演知青情感劇《最愛·你》，飾演回城知青陸遠。
2012年，與陳寶國、李小冉聯袂主演史詩劇《大河兒女》，飾演野心家、鈞瓷商人鄧紹光。
2013年5月，當代軍旅題材劇《亞丁灣的月亮》飾演海軍戰艦政委肖偉國。7月，搭檔楊明娜出演都市時尚情感劇《愛的多米諾》，飾演謝家二女婿、大學教授汪國慶。
2014年11月，與馮雷、劉威葳等合作電視劇《真實的幸福》。
2016年6月，與陳學冬、歐陽娜娜、邬君梅、汪铎合作電視劇《是！尚先生》，飾演《先生》雜志主編韓風。同年在熱播的電視劇《解密》中飾演破譯處科長“劉一平”一角。
2020年4月，主演經偵題材電視劇《獵狐》；12月27日，出演的重大革命曆史題材劇《跨過鴨綠江》在CCTV-1黃金時間首播。
2021年4月25日，參演電視劇《風暴舞》播出。
2021年6月25日播出的由高希希導演執導的電視劇《大決戰》飾演魯銳；9月30日，參演的抗美援朝電影《長津湖》上映；12月15日，在電視劇《雪中悍刀行》中飾演曹長卿。
2022年1月18日，參演的懸疑冒險劇《淘金》播出，飾演老歪。
個人生活
王同輝的妻子叫管琴，二人育有一子。
主要作品
參演電影
參演電視劇
以上内容參考資料來自
社會活動
2010年4月23日，參加“書香北京-文化盛典——21世紀10年影響中國圖書榜”揭榜頒獎晚會，領銜朗誦俄國著名文學家高爾基的《海燕》片段。
2010年4月25日，參加2010北京國際車展主辦方與旅遊衛視合作的“明星與車互動——暢聊環保低碳新生活”活動，号召大家能一起加入公益人的隊伍中，在生活的點點滴滴中做到盡可能的環保、節能。
人物評價
憑借《貧嘴張大民的幸福生活》中“大國”深入人心的王同輝，雖然是一個自信又自卑，可悲又可憐的男人，但也憑借此片深入人心。之後王同輝讓我們看到了《紅顔的歲月》那個無私奉獻，最後憑借着雙手成為了青年企業家的何志誠；《桃花燦爛》裡内心極度扭曲的朱亦文；《怪罪》裡的徐磊無論是情感、事業家庭還是道德，都經受了重重考驗的好男人。在《女人淚》和《諜戰古山塘》中王同輝和著名演員陳寶國兩度合作，既塑造了充滿正義的職員，還演繹了從貪玩到覺醒的纨绔子弟，王同輝的表演都受到了觀衆廣泛好評。在《婚變》他把那個惡毒的問題男人诠釋的無懈可擊，讓我們感覺他不僅僅是在表演，而是在用靈魂和我們對壘。（新浪娛樂評）
