Окончив школу, Денис сделала свой выбор – решил поступать в театральный вуз: Высшее театральное училище имени М. С. Щепкина (на курс Виктора Коршунова). После училища до 2009 года работал в Театре им. Маяковского. С 2010 года актер Денис Васильев принимал участие в спектаклях театральной компании «Наш театр». В 2013 году был принят в труппу Театра С.А.Д.
Денис Васильев дебютировал на телеэкране еще будучи студентом. В 19 лет он появился в мелодраме «Цветы для Снежной королевы» (2006), исполнив роль жениха одной из героинь. Через год Денис Васильев появился в еще одной мелодраме – «Ностальгия по будущему» (2007), где сыграл одного из главных героев. Актер воплотил образ романтичного юноши, влюбленного в тяжелобольную девушку. До окончания училища, Денис так же вошел в состав съемочной группы мелодрамы «Две истории любви» (2008).
Денис Васильев часто снимается в телесериалах. В 2010 году он появился в мелодраме «Голубка» и детективном сериале «Шериф». Затем сыграл второстепенных персонажей в сериалах «Стреляющие горы» (2011) и «Однажды в Ростове» (2012).
В 25 лет Денис Васильев удостоился главной роли в телесериале, вышедшим на Первом канале – «Единственный мой грех» (2012) режиссера Каринэ Фолиянц.
Появление в главной роли в сериале популярного телеканала принесло Денису Васильеву первую небольшую известность. Следом он исполнил ведущего персонажа сериала «Серьезные отношения» (2013) – обаятельного хитреца Глеба.
2013 год принес актеру главные роли сразу в двух крупных украинских проектах. Он сыграл медика в украинской версии популярного американского телесериале «ER» — «Скорой помощи». Этот проект рассказывает о жизни приемного отделения больницы, ее сотрудников и пациентов. И полицейского в сериале «Курортная полиция» (2014), повествующем о работе тестового подразделения МВД на берегу Черного моря.
В 28 лет Денис впервые получил работу в большом кино – второстепенную роль студента в амбициозной картине Никиты Михалкова «Солнечный удар» (2014).