2005年7月在參加完荷蘭世青賽後，趙霖回到上海申花足球俱樂部便被調進一線隊，並很快被俱樂部補充報名，獲得中超參賽資格。8月21日本應在全運會結束之後才返回上海申花隊的趙霖，提前上演了中超處子秀，在對陣遼寧的比賽中,他在第六十九分鐘登場並幫助球隊取勝。
2006年趙霖以出色的表現代表上海申花隊奪得中超聯賽亞軍。同年4月19日趙霖在征戰中超一年之後,在聯賽第八輪對陣天津康師傅隊的比賽中,打入了自己的中超處子球。同時趙霖在參加的四場亞冠聯賽中攻入五球，最令人矚目的當屬2006年9月13日在源深體育場一比零小勝全北現代的比賽中打入制勝球。
2007年在中超賽場上，趙霖繼續代表上海申花隊出戰，但在出場的十二場比賽中未能收穫進球。
2008年賽季結束後，趙霖代表上海申花隊已經征戰了五十二場中超聯賽、攻入十球，但他的這一年卻以失望結尾，在中超聯賽最後一輪的關鍵戰役剛被換上場又旋即被換下，被俱樂部高層質疑打假球而被掛牌，也由此成爲2009年賽季前的足壇焦點人物之一。
2009年初在被俱樂部質疑的趙霖迎來轉機，1月21日在亞洲盃預選賽上演帽子戲法，隨即收到多家外國俱樂部的轉會邀請，但最終他選擇留在上海申花隊，簽訂了最長三年的二加一合同，繼續留在申花效力。
2010年年初趙霖還是轉會離開上海申花隊，過程卻是一波三折，雖然一開始已經接近與陝西滻灞隊正式簽約，但是最終獲得中國足協轉會延期許可的趙霖加盟了因涉假降入中甲的廣州恆泰，年薪更是達到了三百萬。4月3日趙霖在和BJ理工大學的中甲聯賽中首次代表廣州隊出場,並在比賽中打進兩球，最終趙霖幫助球隊奪取甲級聯賽冠軍成功衝超，他爲廣州在中甲聯賽上陣二十三場打進二十球，成爲了中甲聯賽最佳射手，同時趙霖也是第二位奪得中甲聯賽最佳射手的本土球員。
2015年亞洲盃開戰之前，意大利媒體《cridania》撰文評出了本屆亞洲盃最值得關注的十五名球星，在該媒體列舉的名單中並沒有本田圭佑、香川真司等球星,是爲了幫助大家發現那些有實力但不爲世界所知的潛力球員，當時中國球員張琳梵、趙霖以及李昂都成功入圍。
對於趙霖該媒體點評時說：“他是中國聯賽的明星球員，他在最近幾個賽季表現出色幫助裏皮的球隊一直在聯賽中保持領先，而且他的心態很成熟，有歐洲球員的特質，因爲在俱樂部中他的鋒線搭檔是吉拉迪諾與迪亞曼蒂。”
但是誰也沒想到的是開始就是巔峯，而巔峯之後就是快速的下滑，接下來的幾年趙霖的射門靴好像弄丟了，他的射門總是會很離譜，當年的所向披靡也變成了現在的趙飛機。