2003年，张一山被《小兵张嘎》的导演徐耿挑中，出演剧中的佟乐乐一角，虽然12岁的张一山在剧中的戏分并不多，但是这是他的首部电视剧作品。
2004年，由《小兵张嘎》中饰演“乐乐爸爸”的演员李迎旗推荐，张一山参加少儿题材的情景喜剧《家有儿女》的试镜，并成功获得饰演刘星这一角色的机会；同年，出演由黄海刚、杜信执导的都市爱情剧《谁为爱情买单》，在剧中饰演了一个“混世小魔王”，男主角大哥的儿子孔析析。
2005年，再次与高亚麟、宋丹丹、杨紫、尤浩然等人合作，继续出演少儿题材的情景喜剧《家有儿女》的续作《家有儿女2》。
2006年，继续主演《家有儿女》系列的第三部；同年，出演由宋业明、黄港执导的历史题材清装剧《船政风云》，饰演小苏阿哥。
2007年，出演《家有儿女4》继续饰演刘星一角，至此家有儿女系列四部作品完结；同年，出演由尚敬执导的情景喜剧《妙想天开》，饰演阿甘一角；同年，在《生于80后》之中饰演了一个十七岁的少年刘刀。因为父亲去世，不得不由父亲的小妻子安雯充当他的监护人，两个人互相看不顺眼，却意外地在磕磕绊绊之中酝酿出了亲情。
2008年，出演由林浩然执导的少年励志电影电影《扣篮对决》，在影片中饰演篮球队队员猴子，该片是张一山拍摄的首部电影作品。
2009年，与成龙共同主演儿童电影《寻找成龙》，张一山饰演了一个因喜爱武术而去寻找成龙学功夫的少年，该片所有武打戏份张一山均亲自完成，没有用替身；同年，与《家有儿女》原班人马共同出演儿童剧《不想长大》。
2010年，客串情景喜剧《圆圆的故事》；同年11月，文隽、叶伟民执导的功夫片《李小龙我的兄弟》上映，张一山在剧中饰演刘连光一角。
2011年7月，参加东方卫视综艺节目《舞林大会》，并在10月9日的决赛中获得冠军；同年9月，在为庆祝中国共产党建党九十周年而制的历史题材影片《建党伟业》中饰演中国共产党的创始人之一的邓恩铭；同年，参演灾难剧情片《南方大冰雪》饰演杨华华一角；同年与蒋小涵合作，出演剧情片《篮球公园》。
2012年6月，再度与杨紫合作，在电视剧《老爸回家》中饰演高贺；同年7月，出演首部时装剧《星光都市2》，在剧中饰演有梦想又有艺术气质的周浩；同年11月，参演讲述80后父母辈爱情故事的电视剧《最爱·你》；同年，参演都市爱情电影《三个未婚妈妈》；随后出演战争题材儿童剧《小小飞虎队》，该剧讲述了抗日战争时期小小飞虎队的故事。
2013年，客串出演电视剧版《失恋33天》；同年，主演由魏永刚执导的战争、励志、轻喜剧《大号小兵》。
2014年，在都市家庭轻喜剧《食来孕转》中饰5演马瑞一角；同年，在军旅题材电视剧《大熔炉》中饰演虽然外表痞气，但内心真诚重情义、充满正义感的小士兵徐小斌；同年7月，参演青春励志喜剧电影《黄金福将》；10月，在电影《夺路而逃》中饰演男主角周晓易 。
2015年1月，参演的抗日题材电视剧《杀寇决》在吉林卫视播出，张一山饰演男主角陆子铮；同年4月12日，加盟CCTV6青春益智真人秀《校花与学神》，并担任导师；11月，在网友投票评选出的“中国90后10大影响力人物”中，张一山排名第五；同年12月22日，与歌手丁丁共同主演的悬疑电影《隔离岛》正式杀青 。
2016年，主演电视连续剧《我的父亲我的兵》；同年5月，主演的刑侦题材网剧《余罪》网络首播，张一山在剧中饰演一名刚从警校毕业就进入贩毒团伙中的卧底警察余罪，该剧播出半个月网络点击率超过4.5亿，并获得良好口碑；同年6月，主演古装青春偶像剧《重耳传》饰演夷吾；随后，主演的农村题材剧《青谷子》播出，张一山在剧中饰演焦大楼一角；12月9日，主演的悬疑惊悚电影《凄灵室》全国上映 。
2017年1月，张一山携手成龙、杨紫共同演唱喜剧电影《功夫瑜伽》的同名主题曲《功夫瑜伽》；2月12日，加盟浙江卫视《高能少年团》，首次担任常驻嘉宾并担任高能队长；2月17日，主演悬疑爱情剧《柒个我》，在剧中饰演拥有着多重人格的集团继承人沈亦臻；7月16日，主演的都市剧《大叔与少年》开这！。
2018年，张一山以战队经理人的身份参加了机器人格斗真人秀《这！就是铁甲》；4月30日，央视五四晚会录制，张一山荣获2018年度“五月的鲜花”优秀青年演员称号；5月，献唱“五四青年节”特别歌曲《强国一代有我在》，并参演MV 。5月29日，主演情景喜剧《家有儿女初长成》。
2019年3月2日，张一山、潘粤明联袂出演谍战剧《局中人》杀青；12日，主演的古装电视剧《重耳传奇》在浙江卫视中国蓝周播剧场首播。8月1日出演大历史革命题材电影《古田军号》。