2003年，張一山被《小兵張嘎》里的徐耿挑中，出演劇中的佟樂樂一角，12歲的張一山在劇中的戲分并不多，但他到位的表演給觀眾留下了深刻的印象。

2004年《小兵張嘎》中飾演“樂樂爸爸”的演員李迎旗，把張一山推薦給了《家有兒女》的副導演，張一山成功獲得飾演劉星這一角色。

2005年，繼續出演《家有兒女2》，與高亞麟、宋丹丹、楊紫、尤浩然等人合作。

2006年在與高亞麟、宋丹丹、寧丹琳、尤浩然搭檔主演《家有兒女3》與《家有兒女4》。

2009年主演電影《尋找成龍》。 在電影《扣籃對決》中飾演猴子。

2010年參演《圓圓的故事》；同年9月，在電影《建黨偉業》中飾演鄧恩銘。

2011年10月9日，在《舞林大會》中贏得冠軍。

2012年6月，與劉威、楊紫合作，在《老爸回家》中飾演高賀。

2013年，在電視劇《食來孕轉》中飾演馬瑞。

2014年，在《大熔爐》中飾演徐小斌 ；7月參演喜劇電影《黃金福將》。

2015年1月《殺寇決》衛視播出 ，張一山飾演男主角陸子錚 ；4月12日加盟并擔任cctv-6（電影頻道）大型首檔青春益智真人秀《校花與學神》的導師 ；11月，網友投票評選出“中國90后10大影響力人物”，張一山排名第五。 12月22日，主演懸疑電影《隔離島》殺青 。

2016年，主演電視連續劇《我的父親我的兵》 ；5月，主演刑偵網劇《余罪》，飾演臥底余罪，引起收視熱潮并獲得良好口碑 ；同月主演大型古裝青春偶像劇《重耳傳》飾演夷吾 ；6月，主演農村題材劇《青谷子》，飾演焦大樓 。