เมื่ออายุได้ 19 ปี และได้พบกับหม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม ยุคล ซึ่งชักชวนให้มาอาศัยอยู่ที่วังละโว้ ของพระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอนุสรมงคลการ

สรพงษ์ เริ่มงานแสดงครั้งแรกเมื่อ พ.ศ. 2512 เป็นตัวประกอบ และเป็นเด็กยกของในกองถ่ายละครเรื่อง นางไพรตานี ฉายทางช่อง 7 และเล่นเป็นตัวประกอบในละคร ห้องสีชมพู และ หมอผี ซึ่งหม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม ยุคล เป็นผู้กำกับหลังจากเดินทางกลับจากเรียนต่อที่สหรัฐอเมริกา

ชื่อ สรพงษ์ ชาตรี ที่ใช้ในการแสดง ผู้ตั้งให้คือ พระเจ้าวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอนุสรมงคลการ และหม่อมอุบล ยุคล ณ อยุธยา โดยคำว่า "สร" มาจาก อนุสรมงคลการ, "พงศ์" มาจาก สุรพงศ์ โปร่งมณี (ผู้พามาฝากตัวกับหม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม) และ "ชาตรี" มาจาก ชาตรีเฉลิม

สรพงษ์ ชาตรี มีผลงานภาพยนตร์เรื่องแรกเป็นตัวประกอบในภาพยนตร์เรื่อง สอยดาว สาวเดือน เมื่อ พ.ศ. 2512 รับบทเป็นลูกน้องนักเลงที่มีเรื่องกับ ชนะ ศรีอุบล ที่รับบท สมิง ซึ่งเป็นพระรองของเรื่องในร้านเหล้าโดยที่ออกมาฉากเดียวและไม่มีบทพูด จากนั้นในภาพยนตร์เรื่องที่ 2 คือเรื่อง ฟ้าคะนอง เมื่อ พ.ศ. 2513 สรพงษ์ยังคงรับบทเป็นตัวประกอบที่ออกมาฉากเดียวและไม่มีบทพูดเช่นเคย กระทั่งสรพงษ์ได้รับบทพระเอกเต็มตัวครั้งแรก ในภาพยนตร์เรื่องที่ 3 คือเรื่อง มันมากับความมืด (พ.ศ. 2514) ผลงานกำกับภาพยนตร์เรื่องแรกของหม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม จากนั้นได้รับบทในภาพยนตร์ของหม่อมเจ้าชาตรีเฉลิม แทบทุกเรื่อง ทั้งบทพระเอก พระรอง และเป็นผู้ช่วยผู้กำกับในบางครั้ง มีผลงานแสดงกว่า 500 เรื่อง ได้รางวัลตุ๊กตาทองครั้งแรกจากเรื่อง ชีวิตบัดซบ และ สัตว์มนุษย์ สองปีติดต่อกัน และมีชื่อเสียงในต่างประเทศจากเรื่อง แผลเก่า (พ.ศ. 2520) กำกับโดยเชิด ทรงศรี นับว่าประสบความสำเร็จสูงสุด

สรพงษ์ ได้รับรางวัลทางการแสดงจากหลายสถาบัน เช่น รางวัลตุ๊กตาทองพระสุรัสวดี ดารานำชายยอดเยี่ยม จากเรื่อง สัตว์มนุษย์ ชีวิตบัดซบ มือปืน มือปืน 2 สาละวิน เสียดาย 2 รางวัลสุพรรณหงส์ ดารานำชายยอดเยี่ยม จากภาพยนตร์เรื่อง ถ้าเธอยังมีรัก มือปืน และนักแสดงประกอบชายจากเรื่อง องค์บาก 2 ส่วนรางวัลชมรมวิจารณ์บันเทิง นักแสดงชายยอดเยี่ยม จากเรื่อง มือปืน 2 สาละวิน