На протяжении семи сезонов Ханнэм снимался в роли Джексона Теллера по прозвищу Джакс в сериале «Сыны анархии», самом рейтинговом телепроекте за всю историю телеканала FX.
Далее последовали роли в эпике Гая Ричи Рыцари Круглого стола: Король Артур, в биографической драме Джеймса Грэя «Затерянный город Z» с Сиенной Миллер и Робертом Паттинсоном, в криминальной драме Михаэля Ноера «Мотылёк» с Рами Малеком и Ив Хьюсон, а также в драме Макса Уинклера «Страна джунглей» с Джеком О’Коннеллом и Джессикой Барден.
Ханнэма можно было увидеть в новом фильме Гая Ричи «Джентльмены» – в российский прокат картина выходит 13 февраля. Компанию на съемочной площадке актёру составили Мэттью МакКонахи, Хью Грант, Колин Фаррелл, Мишель Докери, Джереми Стронг, Генри Голдинг и Эдди Марсан.
В 2015 году Ханнэм снялся с Мией Васиковской, Джессикой Честейн и Томом Хиддлстоном в фильме Гильермо дель Торо «Багровый пик». Ранее режиссёр и актёр встречались на съёмочной площадке фильма «Тихоокеанский рубеж». Среди других работ Ханнэма стоит отметить роли в комедии Джордана Робертса «Фрэнки наводит шорох» с Крисом О’Даудом, Лиззи Каплан и Роном Перлманом, в криминальной драме Штефана Руцовицки «Черный дрозд» с Эриком Баной и Оливией Уайлд, в криминальной драме Лекси Александр «Хулиганы» с Элайджей Вудом и в фантастическом триллере Альфонсо Куарона «Дитя человеческое» с Клайвом Оуэном.
Ханнэм дебютировал в полнометражном кинематографе в 2002 году с ролью в триллере студии Paramount «Покинутый». Тогда же он привлёк внимание критиков, сыграв главную роль в экранизации романа Чарльза Диккенса «Николас Никлби», которая была номинирована на «Золотой глобус» в категории «Лучший фильм – комедия или мюзикл». В 2003-м актёр снялся в роли Боузи в фильме Энтони Мингеллы «Холодная гора» (Miramax), в основу сценария которого был положен бестселлер Чарльза Фрейзера.
Свою актёрскую карьеру Ханнэм начинал с мыльных опер. Зрители и критики оценили его роли в британском сериале «Близкие друзья» и в сериале FOX «Неопределившиеся», сценаристом и продюсером которого выступил Джадд Апатоу.
Помимо актёрской карьеры, Ханнэм сам пробует писать сценарии и продюсировать картины.