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》。

2011年10月9日，在《舞林大会》中赢得冠军。

在2014年开播的电视剧《食来孕转》中饰演马瑞。同年在《老爸回家》中饰演高贺，与刘威、杨紫合作。

在2015年播出的电视剧《大熔炉》中饰演徐小斌。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。