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，与王俊凯合唱家族原创歌曲《我们曾在一起》发布。9月，王源在地下通道翻唱的《旋木》被优酷网首页推荐。10月，与王俊凯录制安徽卫视《黄金年代》。11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，与王俊凯翻唱《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，与王俊凯翻唱《当爱已成往事》，以此纪念张国荣逝世十周年，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，与王俊凯合唱原创歌曲《街舞少年》发布 。5月31日，与王俊凯及TFBand合作翻唱《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。

2013年8月6日，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，与王俊凯翻唱《董小姐》网络首发。11月，王源开始主持家族综艺《TF少年GO》，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[19] 。5月2日，与易烊千玺参与EP《魔法城堡》首签活动，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，与组合成员录制湖南卫视《快乐大本营》，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4日，与组合成员献唱电影《我就是我》第二弹主题曲《想唱就唱》 ，并献唱动画电影《洛克王国3：圣龙的守护》主题曲《魔法城堡》。7月9日，与组合成员被邀成为中央电视台励志少年才智秀《少年中国强》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，与组合成员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，与组合成员不仅在中央电视台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，与组合成员录制江苏卫视新年演唱会。

2014年6月，中国人口福利基金会在TFBOYS开展的“关注唇腭裂儿童”公益活动现场，授予TFBOYS“幸福微笑”救助唇腭裂儿童公益项目爱心大使称号。7月4日，TFBOYS携手中国人口福利基金会、微公益、东方卫视，发起“#TFBOYS益起来#让唇腭裂儿童绽放笑容”公益活动。8月3日，TFBOYS举办”幸福微笑“公益活动暨出道一周年粉丝答谢会。

8月21日，TFBOYS接受章子怡传递的冰桶挑战为公益献爱心，王源呼吁大家关爱渐冻人，接受冰桶挑战并捐款 。9月，王源以劝募影响力58339429在微博“益起来”活动的明星劝募影响力排行榜中排名第三 。10月17日，TFBOYS担任芒果V基金举办的公益活动“圆梦计划”的“圆梦大使” 。11月26日，TFBOYS成为中央电视台音乐公益节目《梦想星搭档》第二季第二位公益加油大使 。

2015年8月14日，TFBOYS作为形象大使参加共青团中央发起的“阳光跟帖”活动启动仪式 。8月20日，正值中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利七十周年，TFBOYS在中央电视台公益节目《开学第一课》上，领唱国歌领诵宣言致敬英雄 。9月23日，TFBOYS以2015“Bazzar明星慈善夜”上年龄最小的明星代表首次亮相芭莎明星慈善夜 。11月3日，TFBOYS代言重庆市公安消防总队公益 。11月30日，TFBOYS出席由腾讯QQ、QQ空间、中国扶贫基金和腾讯公益联合发起的“QQ红围巾计划”公益发布会 。