2011年底，王源加入TF家族，成为家族练习生。
2012年3月，王源开始《TF家族面对面》、《TF家族新闻播报》等TF家族自制综艺节目录制。7月15日，与王俊凯一同翻唱《一个像夏天一个像秋天》，视频被范玮琪转载。8月23日，与王俊凯合唱的家族原创歌曲《我们曾在一起》发布。9月，王源在地下通道里翻唱的《旋木》被优酷网首页推荐。10月，与王俊凯参加安徽卫视《黄金年代》录制。12月，与王俊凯发行EP《青蛙也会变王子》。
2013年1月，王源开始主持《TF家族新闻发布会》和代班主持《TF家族新闻播报》。2月，与王俊凯共同翻唱歌曲《到不了》。2月23日，王源主持的脱口秀节目《源来这样讲》在TF家族自制综艺中播出。3月，与王俊凯做客《56红人馆》。4月1日，与王俊凯共同翻唱歌曲《当爱已成往事》，以此纪念张国荣逝世十周年，这段视频于4月4日在优酷、56等视频网站点击量突破40万。5月17日，与王俊凯合唱的原创歌曲《街舞少年》发布。6月1日，于儿童节当天发布与王俊凯及TFBand合作翻唱作品《洋葱》视频被五月天阿信、刘若英转载。6月4日，王源、王俊凯版《洋葱》被台湾《中天新闻》报道。7月筹备出道，与王俊凯、易烊千玺组成组合，公司邀请担当李孝利专辑制作人的韩国知名音乐团队为新组合量身打造歌曲，并在韩国完成专辑歌曲的后期制作。
2013年8月6日，TF家族官方发布TFBOYS形象宣传片《十年》，由王源、王俊凯、易烊千玺三人组成的内地青春励志组合TFBOYS正式出道。10月4日，TFBOYS《Heart梦·出发》首唱会于重庆渝中区日月光中心举行。11月8日，与王俊凯共同翻唱歌曲《董小姐》网络首发。11月，王源开始主持家族综艺《TF少年GO》，该节目包含《源文在哪》、《源来这样讲》、游戏环节和live秀模块。
2014年2月14日，王源参演TF家族自制网络剧《男生学院自习室》播出，饰演马思远。5月2日，与易烊千玺一起参与EP《魔法城堡》在北京的首签活动；同日，与易烊千玺一起接受《中国娱乐报道》专访，并应邀担任《土豆最音乐》嘉宾主持。5月20日，与王俊凯、易烊千玺一起参加湖南卫视《快乐大本营》的录制，王源小秀主持。6月27日，王源两年前翻唱的未发布版《天使的翅膀》发布，视频被原唱安琥转载。7月3日，与王俊凯、易烊千玺一起献唱电影《我就是我》第二弹主题曲《想唱就唱》；同日，与王俊凯、易烊千玺一起献唱动画电影《洛克王国3：圣龙的守护》主题曲《魔法城堡》。7月9日，央视励志少年才智秀《少年中国强》发布会在北京举行，与王俊凯、易烊千玺一起被邀成为该节目的特别代言人，并演唱节目主题曲《Heart》。8月26日，王源代班主持《我爱大牌》。9月1日，与王俊凯、易烊千玺一起为中央电视台公益节目《开学第一课》演唱主题曲《开学第一课》。9月8日，与王俊凯、易烊千玺一起不仅在央视中秋晚会直播现场登台表演，而且提前录播亮相湖南卫视中秋晚会上。9月13日，爱奇艺出品，为TFBOYS量身打造的中国首档偶像全纪录节目《TFBOYS偶像手记》全网播出，王源在节目中有担当主持。12月31日，与王俊凯、易烊千玺一起参与江苏卫视跨年演唱会录制。
2015年1月1日，与王俊凯、易烊千玺一起参与中央电视台“心连心”艺术团赴古田镇慰问演出。2月8日，与王俊凯、易烊千玺一起录制北京电视台春节联欢晚会。2月11日农历小年，与王俊凯、易烊千玺一起登湖南卫视“在一起喜洋洋”小年夜。3月6日，《TF少年GO》第三季腾讯视频独家首播，王源在节目中自弹自唱首次正式地展显了钢琴才艺。4月29日，郭敬明通过新浪微博，公开电影《爵迹》第二位主演是王源。5月25日，王源参加重庆市第七届中小学艺术节声乐合唱比赛得一等奖。5月28日，与王俊凯、易烊千玺一起录制中央电视台“欢乐的节日”六一晚会。8月15日，TFBOYS在北京万事达中心举行出道两周年见面会。8月25日，新浪认证微博@TFBOYS-王源 粉丝数破千万，成为首位粉丝破千万00后博主。9月21日，与王俊凯、易烊千玺一起录制湖南卫视中秋晚会。9月24日，王源加盟《诛仙》改编的电视剧《青云志》，出演男主人公张小凡的少年时期。9月27日，与王俊凯、易烊千玺一起录制央视中秋晚会。10月22日，湖南卫视实境户外游戏综艺节目《全员加速中》公布TFBOYS加盟。11月8日，王源在他15岁生日会上带来他的首支舞蹈solo，钢琴弹唱14岁时完成的首支自己作词作曲的单曲《因为遇见你》，并成为中国首位登上美国纽约时代广场的00后艺人。12月4日，TFBOYS正式成为360手机助手品牌代言人。12月31日，与王俊凯、易烊千玺一起参与湖南卫视跨年演唱会，王源现场钢琴弹唱。
2016年1月13日，王源首支自作词曲《因为遇见你》发行。
《因为遇见你》、《Heart》、《青春修炼手册》、《大梦想家》、《爵迹》