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《建當伟业》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 。