2010年底，王俊凯通过甄选进入TF家族，在TF家族练习生训练期间，于2011年9月以TF家族名义发行EP《我不要改变》。作为TF家族的成员参与演唱了《我不要改变》、《我们曾在一起》、《时光机》，其中，《我们曾在一起》被酷狗音乐重点推荐。

2012年开始录制TF家族自制综艺节目《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。2月，发布的翻唱作品《囚鸟》及《我要快乐》，其中《囚鸟》被搜狐、优酷等网站首页推荐。5月，参与辽宁卫视《天才童声》节目录制，7月，发布与王源合作翻唱作品《一个像夏天一个像秋天》，视频被范玮琪转载 ；8月，与王源合唱家族原创作品《我们曾在一起》；9月，王俊凯发布卫生间自拍翻唱作品《我的歌声里》；10月，与王源参加安徽卫视《黄金年代》录制，现场演唱《我的歌声里》；12月发行第二张EP《青蛙也会变王子》，收录曲目《青蛙也会变王子》、《小情歌》、《人质》、《我的歌声里》等。

2013年2月，与王源共同翻唱歌曲《到不了》；3月，王俊凯和王源做客《56红人馆》 ；4月1日，与王源共同翻唱歌曲《当爱已成往事》，以此纪念张国荣逝世十周年，这段视频在网络上不断被转发，于4月4日在优酷、56等视频网站点击量突破40万 。6月1日，于儿童节当天发布与王源及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，王俊凯和王源版《洋葱》被台湾《中天新闻》播报。7月筹备出道，与王源、易烊千玺成中国内地青春励志组合，公司邀请曾担当李孝利专辑制作人的韩国音乐团队为组合量身打造歌曲，并在韩国完成了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》，王俊凯与王源、易烊千玺三人组成中国内地青春励志组合TFBOYS正式出道，王俊凯担任组合队长[13] 。10月4日，《Heart梦·出发》首唱会于重庆渝中区日月光中心举行。10月18日，正式发行出道EP《Heart梦·出发》，11月8日，与王源共同翻唱歌曲《董小姐》，在网络上首发。

2014年6月，以TFBOYS组合身份，与王源、易烊千玺开始了倡导和开展“关注唇腭裂儿童”的公益活动。TFBOYS组合向社会发出“让唇腭裂儿童绽放幸福微笑”的呼吁，因此希望通过自身的影响力去感染社会，传递爱心、传播正能量。活动现场，中国人口福利基金会领导授予TFBOYS组合“幸福微笑”救助唇腭裂儿童公益项目爱心大使的称号，肯定他们在公益事业上做出的表率和努力；7月4日发起“#TFBOYS益起来#让唇腭裂儿童绽放笑容”公益活动。

2014年8月3日，TFBOYS组合于华联常营购物中心参加TFBOYS『幸福微笑』公益活动暨出道一周年粉丝答谢会。 TFBOYS组合成员亲手为部分粉丝们送上一周年限量纪念版明信片，感谢一路支持、守护、陪伴、充满爱心的粉丝们。

2014年8月15日，举办TFBOYs两周年见面会后，宣布向天津爆炸遇难同胞捐三十万元，同时部分门票收入也将捐出用于随后在北京举办的让抗战老兵“重沐荣光”活动 ；8月20日，TFBOYS组合接受了章子怡传递的冰桶挑战项目。当晚三位成员在酒店拍摄并上传了挑战视频，王俊凯也通过微博表示“通过我们TFBOYS的挑战，希望大家能更多的帮助渐冻人症人群，他们需要我们的关爱和帮助。”

2014年9月，王俊凯在微博“益起来”活动明星劝募影响力中以劝募影响力81990969在排行榜中排名第一。