2000年，单思涵进入北京舞蹈学院附属中学中国舞学科学习。 2003年，获得第八届“桃李杯”少年甲组优秀表演奖， 并被挑选成为中国古典舞基本训练教材与教法(中专)示范样本。
2006年，他以全国第一名的成绩考取北京舞蹈学院中国古典舞系表演班 ；同年，在第九届“桃李杯”舞蹈比赛中获得优秀表演奖，并在第十一届北京市舞蹈比赛中凭借舞蹈《莫高印象》获专业组表演一等奖 。
2010年，以第一名的成绩进入中国东方演艺集团，担任主要演员，在职期间被评为“突出贡献个人”因获得中华人民共和国文化部授予国家艺术院团优秀剧目展演的优秀青年演员奖。
单思涵2012年6月22日，单思涵主演的舞剧《红楼梦》首演，他在该舞剧中饰演贾宝玉，随后，还出演了《明安图》、《马可波罗》等多部舞剧作品 。2015年10月，他与王亚彬合作主演的舞剧《青衣》在国家大剧院首演 。2016年7月24日，与冯绍峰、宋茜等人合作出演的玄幻剧《幻城》在湖南卫视钻石独播剧场播出 ，他也就此踏入影视圈。
2017年5月，单思涵与于了一、柴碧云合作主演古装剧《武当一剑》 ，在剧中饰演侠肝义胆、刻苦用功的牟一羽；8月8日，与张云龙、于朦胧等合作出演的古装玄幻剧《轩辕剑之汉之云》在东方卫视周播剧场播出 ，在剧中饰演表面高冷、内心正义的青衣久悠；8月15日，他出演的都市爱情喜剧《人间至味是清欢》在湖南卫视播出。2018年6月6日，单思涵与于毅、周放合作出演的都市刑侦剧《走火》在浙江卫视中国蓝剧场播出 ，在剧中他饰演的高华是一个技术超群，却性格阴郁狂妄的网络黑客；7月30日，其参与录制的音乐创演秀《幻乐之城》在湖南卫视播出 。
2019年5月17日，单思涵参加的由张艺谋执导的青春艺术实验节目《花样中国》在北京卫视播出 ；7月5日，他出演的抗战片《八佰》在中国内地上映；9月，与李健、牟星合作出演当代剧《大海港》；11月22日，他与周峻纬、何晟铭合作出演的爱情悬疑剧《漫长的告别》在优酷视频播出。
2020年6月23日，单思涵与张一山、潘粤明合作出演谍战剧《局中人》
单思涵多年的古典舞功底让他在动作戏中表现出色，将“武术”与“舞蹈”融会贯通，刚与相结合，打出了独特的风格，画风别具一格 （腾讯娱乐评）；同时，也使得他拥有了良好的气质和过硬的形体实力 （大众网评）；在当代剧《大海港》中，为了更好的诠释刘翔这个角色，他耐心地研究和揣摩人物心理；而在爱情悬疑剧《漫长的告别》中，几场爆发性的感情戏，他神情投入，都将崔斌的温柔细腻诠释的恰到好处，让观众更能理解剧中人物的心境 （北青网评）。
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