2003年，张一山被《小兵张嘎》里的徐耿挑中，出演剧中的佟乐乐一角，12岁的张一山在剧中的戏分并不多，但他到位的表演给观众留下了深刻的印象。

2004年《小兵张嘎》中饰演“乐乐爸爸”的演员李迎旗，把张一山推荐给了《家有儿女》的副导演，张一山成功获得饰演刘星这一角色。

2005年，继续出演《家有儿女2》，与高亚麟、宋丹丹、杨紫、尤浩然等人合作。

2006年在与高亚麟、宋丹丹、宁丹琳、尤浩然搭档主演《家有儿女3》与《家有儿女4》。

2009年主演电影《寻找成龙》。 在电影《扣篮对决》中饰演猴子。

2010年参演《圆圆的故事》；同年9月，在电影《建党伟业》中饰演邓恩铭。

2011年10月9日，在《舞林大会》中赢得冠军。

2012年6月，与刘威、杨紫合作，在《老爸回家》中饰演高贺。

2013年，在电视剧《食来孕转》中饰演马瑞。

2014年，在《大熔炉》中饰演徐小斌 ；7月参演喜剧电影《黄金福将》。

2015年1月《杀寇决》卫视播出 ，张一山饰演男主角陆子铮 ；4月12日加盟并担任cctv-6（电影频道）大型首档青春益智真人秀《校花与学神》的导师 ；11月，网友投票评选出“中国90后10大影响力人物”，张一山排名第五。 12月22日，主演悬疑电影《隔离岛》杀青 。

2016年，主演电视连续剧《我的父亲我的兵》 ；5月，主演刑侦网剧《余罪》，饰演卧底余罪，引起收视热潮并获得良好口碑 ；同月主演大型古装青春偶像剧《重耳传》饰演夷吾 ；6月，主演农村题材剧《青谷子》，饰演焦大楼 。