經過6年磨練，2005年開季還在3A的王建民，終於在同年4月30日首度踏上大聯盟舞台，代表洋基隊出戰多倫多藍鳥隊（Toronto Blue Jays），成為台灣第3位登上美國職棒大聯盟的球員。
2005年5月10日，王建民在主場率領洋基以7：4擊敗西雅圖水手隊（Seattle Mariners），拿下大聯盟生涯第一勝。。王建民站上大聯盟的第1個球季出賽18場，其中有17場先發，戰績8勝5敗，防禦率4.02。
2006年7月28日，王建民在主場對坦帕灣魔鬼魚隊（Tampa Bay Devil Rays）拿下生涯第一場完封勝。當年他19勝6敗，防禦率3.63，勇奪勝投王，而且是大聯盟首位亞洲勝投王。同一年10月3日，王建民在對戰底特律老虎隊（Detroit Tigers）時拿下亞洲投手在大聯盟季後賽首勝，季後在象徵投手最高榮譽的賽揚獎（Cy Young Award）票選中獲第2名。
2007年，王建民雖然在春訓時拉傷大腿，錯過洋基的開幕戰，但仍以日益純熟的伸卡球持續主宰球場，拿下19勝7敗（勝投數並列聯盟第2）、防禦率3.7的佳績，成為洋基隊史上第二位連續2年拿下19勝的王牌投手，大聯盟生涯躍上顛峰。
2008年，王建民以400萬美元續留洋基，擔任開幕戰先發並獲勝投，6月15日跑壘受傷使球季提前報銷，但仍拿下8勝2敗防禦率4.07成績，當年4月22日以生涯先發85場獲第50勝，創下亞洲投手最快達成這項成就的紀錄。
2009年，王建民在球季初期表現不理想，一度下放小聯盟。7月4日出戰藍鳥隊時，王建民右肩拉傷，必須開刀，球季再度提前結束，僅留下1勝6敗、防禦率9.64成績，洋基選擇不續約。
成為自由球員的王建民，2010年以一年200萬美元加上激勵獎金300萬美元加入華盛頓國民隊（Washington Nationals），但因為養傷，整季都未出賽，直到2011年7月才重返大聯盟，4勝3敗、防禦率4.04，還敲出個人大聯盟生涯首支安打，打回個人大聯盟生涯首分打點。
2012年7月，王建民在對洋基熱身賽的一次守備時，踩壘包不慎摔傷，左腿後肌肉拉傷，後來又在傷兵名單中進進出出，當年僅獲2勝3敗、防禦率6.68。
2013年，王建民在世界棒球經典賽表現優異受關注，讓洋基以小聯盟約簽下，同年利用逃脫條款，改與多倫多藍鳥隊簽約而再回大聯盟，當年獲1勝2敗、防禦率7.67。
之後王建民輾轉在辛辛那提紅人隊（Cincinnati Reds）、芝加哥白襪隊（Chicago White Sox）、亞特蘭大勇士隊（Atlanta Braves）、西雅圖水手隊的小聯盟體系球隊遊走，期間還一度到獨立聯盟發展，面對逆境，王建民仍堅持留在美國，繼續尋找重返大聯盟契機。
這段期間，包括日職、中華職業棒球大聯盟都傳出願以優渥條件網羅，但王建民始終以「想再挑戰看看」為由婉拒，持續追尋美夢。
今年1月8日，王建民與皇家隊簽下小聯盟合約，季前與另一名台灣好手鄭錡鴻前往德州棒球學校自主訓練，接受調整，提前備戰新球季。
今年大聯盟春訓熱身賽，王建民出賽9場（2場先發）拿下1勝，主投15局，有9次三振、2次保送，被擊出1支全壘打在內的15支安打，丟掉5分有4分自責分，防禦率2.40是生涯大聯盟春訓最佳成績，而且最快球速回復到顛峰時期的95英里（約153公里）。
王建民生涯在大聯盟出賽137場、793.1局，戰績62勝34敗，防禦率4.37，每局被上壘率（WHIP）1.38。王建民目前仍是台灣投手在大聯盟最多勝紀錄保持人。
