2000年，庞伟14岁进入保定市第二重点业余体育学校射击中心开始练习射击项目，受张广伟教练的训练。

2002年，庞伟参加全国射击赛、全国青少年射击赛并获得冠军。

2003年，庞伟进入河北省队，由教练张胜阁进行指导训练。

2005年，庞伟进入国家队，教练王义夫，成为当时中国射击队最年轻的运动员。

2006年7月23日，庞伟以总成绩683.8环获得萨格勒布世界锦标赛男子10米气手枪冠军，为中国射击代表队获得该次世锦赛第一枚金牌，此次也是庞伟首次在国际大赛上亮相；7月25日，庞伟与林忠仔和谭宗亮组合，世界锦标赛男子团赛10米气手枪的预赛压倒俄罗斯，并赢得金牌 。同日，庞伟在男子个人10米气手枪决赛以683.3环夺得金牌。12月2日，庞伟再次与林忠仔和谭宗亮组合参加多哈亚运会男子团体10米气手枪小项，并赢得中国于该届亚运中的第6面金牌。12月5日，庞伟与谭宗亮及徐坤男子团体50米手枪小项决赛，以1682环赢得金牌，是庞伟在多哈亚运会获得的第二枚金牌。

2007年10月26日，庞伟参加全国城市运动会并获得50米自选手枪慢射冠军；在射击世界杯总决赛上获得男子10米气手枪铜牌。

2008年8月9日，在北京奥运会男子10米气手枪决赛中，庞伟以688.2环勇夺金牌，为中国射击队赢得了本届奥运会的首枚金牌，也是中国代表团收获的第二枚金牌 。

2011年8月20日，庞伟在深圳世界大学生运动会男子10米气手枪获得亚军。

2012年，在亚洲射击锦标赛男子50米手枪慢射中获得第九名；在伦敦奥运会射击比赛男子10米气手枪中以总成绩683.7环获得第四名。

2014年9月20日，在仁川亚运会男子50米手枪慢射团体赛中，庞伟与蒲琪峰和王智伟组合并以1692环夺得金牌，收获中国队在仁川亚运会上的第三枚金牌；9月21日，在男子十米气手枪团体比赛中，庞伟与蒲琪峰和王智伟组合以1743环获得亚军。 同日，庞伟获得仁川亚运会男子10米气手枪个人决赛银牌。

2016年射击世界杯首站比赛在泰国曼谷进行，男子50米手枪慢射庞伟获亚军。

2016年3月28日，2016年中国射击队奥运选拔赛在北京展开角逐。男子50米手枪慢射第三场比赛庞伟名列第一位，他以总积分100分名列积分榜第一位，顺利获得里约奥运会此项目的入场券。

2016年5月22日，射击世界杯慕尼黑站，庞伟以190.3环的成绩获得男子50米手枪慢射亚军。

2016年8月7日，中国选手庞伟在里约奥运会男子10米气手枪决赛上打出180.4环的成绩，获得第三名。

2016年8月10日，2016年里约奥运会男子50米手枪资格赛在奥运射击中心展开角逐。中国名将庞伟打出565环，以总成绩第2跻身决赛。

2017年1月4日，庞伟入围2016年度授予体育运动荣誉奖章的运动员名单。

2017年5月23日，2017赛季国际射击联合会射击世界杯德国站，男子50米手枪比赛，庞伟552环的成绩获得了第25名。

2008年12月31日，庞伟首次坦白恋情，并大方的表示自己就喜欢杜丽这样的女孩，杜丽与庞伟恋情正式公开。

2009年11月29日，庞伟与杜丽在保定举行婚礼，成为了新中国体育史上的第一对奥运冠军夫妇。

2010年8月8日上午11点28分，庞伟妻子杜丽在济南千佛山医院剖宫产下一子。