2001年，開始涉足影視圈，參演鈕承澤執導的臺灣偶像劇《吐司男之吻》，飾演大毛 。
2004年，與林依晨領銜主演臺灣青春偶像劇《我的秘密花園Ⅱ》，飾演黃耀輝；12月5日，主演的愛情喜劇《男丁格爾》在臺灣中視播出。
2006年8月21日，其主演的青春偶像劇《戀愛女王》播出，張天霖在劇中飾演左少棠。
2007年，參演商戰題材電視劇《豪門本色》飾演“顏家暉”。
2012年，受邀參演時尚都市情感劇《非緣勿擾》 。
2013年，在家庭倫理劇《兩個爸爸》中飾演質樸老實的“方飛竹”壹角 。
2014年，與韓雪、朱泳騰合作，出演由陳偉祥執導的越獄題材電視劇《沖出月亮島》，在劇中詮釋“陸剛”壹角 ；同年，參演由林建中執導的電視劇《英雄聯盟》 。
2015年，參演古裝仙俠劇《蜀山戰紀之劍俠傳奇》，在劇中飾演腹黑反派魔宗西域霸主“屠霸” ；同年，參演抗戰動作劇《大道天行》 ；12月24日，其參演的古裝戰爭傳奇劇《抗倭英雄戚繼光》在央視壹套首播，張天霖在劇中飾演嚴嵩之子嚴世番 。