2003年，張壹山被《小兵張嘎》裏的徐耿挑中，出演劇中的佟樂樂壹角，12歲的張壹山在劇中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”的演員李迎旗把張壹山推薦給了《家有兒女》的副導演，張壹山成功獲得飾演角色劉星。
2005年，張壹山繼續出演《家有兒女2》，與高亞麟、宋丹丹、楊紫、尤浩然等人合作。
張壹山《家有兒女》劇照 張壹山 2006年，張壹山與高亞麟、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，張壹山主演電影《尋找成龍》。同年，在電影《扣籃對決》中飾演猴子。
2010年，張壹山參演《圓圓的故事》。 2011年10月9日，張壹山在《舞林大會》中贏得冠軍。 2014年，張壹山參演電視劇《食來孕轉》，飾演馬瑞。 2014年，張壹山在《老爸回家》中飾演高賀，與劉威、楊紫合作。
2015年1月，參演的抗日題材電視劇《殺寇決》在吉林衛視播出，張壹山飾演男主角陸子錚；同年4月12日，加盟CCTV6青春益智真人秀《校花與學神》，並擔任導師11月，在網友投票評選出的“中國90後10大影響力人物”中，張壹山排名第五；同年12月22日，與歌手丁丁***同主演的懸疑電影《隔離島》正式殺青。
2016年，主演電視連續劇《我的父親我的兵》。同年5月，主演的刑偵題材網劇《余罪》網絡首播，張壹山在劇中飾演壹名剛從警校畢業就進入販毒團夥中的臥底警察余罪，該劇播出半個月網絡點擊率超過4.5億，並獲得良好口碑；同年6月，主演古裝青春偶像劇《重耳傳》飾演夷吾；隨後，主演的農村題材劇《青谷子》播出，張壹山在劇中飾演焦大樓壹角[10]；12月9日，主演的懸疑驚悚電影《淒靈室》全國上映。9月，主演情景喜劇《家有兒女初長成》，時隔多年後再次與《家有兒女》原班人馬再度合作。