2012年，發布《已是兩條路上的人》、《壹朝芳草碧連天》等翻唱歌曲 ；同年，參加浙江衛視《我愛記歌詞》的節目錄制，並現場演唱《愛如潮水》 。 2014年12月，出席“絲路庭州音樂節”新聞發布會，並現場演唱了《媽媽》 ；同年，參加在新疆昌吉舉辦的“絲路庭州音樂節”；同年，張磊在酒吧唱歌的視頻被別人放到了網上，之後被《中國好聲音》的攝制組發現並聯系上了他 。
2015年2月7日，舉行“北疆巡演第壹站”；同年，張磊參加浙江衛視《中國好聲音第四季》的比賽，盲選時以壹首馬頔的民謠歌曲《南山南》得到三位導師轉身，加入那英隊 ；同年8月28日，浙江衛視播出的《中國好聲音第四季》那英組Battle戰中，張磊與朱強合唱《車站》，戰勝對手並進入第二輪，第二輪演唱《船》與孫伯綸進行對決，最終與孫伯綸***同晉級那英組四強、全國16強 ；同年8月，與孫伯綸、長宇參加騰訊視頻《約吧好聲音》第七期的錄制 ；同年，推出個人民謠單曲《仙女山的月亮》 ；同年9月18日，浙江衛視播出的《中國好聲音第四季》混戰第壹場8進5中，張磊與那英、孫伯綸、長宇、朗嘎拉姆合唱周傑倫的《煙花易冷》作為開場曲，之後演唱老狼的《虎口脫險》與李安進行PK，最終以47：4的票數戰勝對手晉級全國十強 ；同年9月，與李安、李幸倪、陳梓童、孫伯綸參加騰訊視頻《約吧好聲音》第十期的錄制 ；同年9月30日，浙江衛視播出的《中國好聲音第四季》鳥巢沖刺夜10進5中，張磊演唱景崗山的《寂寞是因為思念誰》，綜合得分獲得94.6分，最終以本場排名第壹名的成績晉級全國五強 ；同年10月，與譚軒轅、陳梓童、貝貝、李安壹起參加騰訊視頻《約吧好聲音》第12期的錄制 ；同年10月7日，浙江衛視直播的《中國好聲音第四季》總決賽中，張磊與48強學員合唱《我愛妳中國》作為開場曲，在第壹輪中與那英合唱歌曲《夢壹場+南山南》，之後在第二輪中演唱李健的《異鄉人》獲得11773票並成為冠軍候選人，在第三輪中演唱《旅行》與陳梓童進行PK，最終以58.53%的現場支持率戰勝陳梓童而獲得全國總決賽冠軍 ；同年10月8日，出席在北京舉辦的《中國好聲音第四季》畢業典禮，並接受十大音樂制作人老師頒發的畢業證書 ；同年10月16日，浙江衛視播出的《中國好聲音第四季》榮耀之戰中，張磊演唱《南山南》與周深、李維進行PK，最終以團隊總票數1143票戰勝對手 ；同年10月17日，出席在合肥舉行的“華東首屆帳篷文化節暨環巢湖戶外運動嘉年華活動”，並現場演唱了《虎口脫險》、《船》、《南山南》3首歌曲 ；同年10月31日，助陣《中國好聲音第五季》全國海選合肥賽區華邦專場，並現場演唱了《旅行》、《虎口脫險》2首歌曲 ；同年11月10日，參加“京東11.11“京”喜夜——大型競歌晚會”，並現場演唱歌曲《原來妳什麽都不想要》 ；同年11月，為CCTV公益勵誌節目《極速少年》演唱主題曲《年少如風》，並被中央電視臺少兒頻道授予“中國青少年公益大使”獎牌 ；同年11月19日，推出個人原創單曲《媽媽》，該歌曲由莫凡重新編曲 ；同年12月，參加央視綜藝節目《我要上春晚》，演唱《異鄉人》順利晉級《直通春晚》的舞臺 ；同年12月7日，推出個人單曲《壹念天堂》，並作為同名電影的主題曲 ；同年12月9日，推出個人單曲《壹切都好》，並作為同名電影的主題曲 ；同年12月12日，參加“瑞慈之夜中國好聲音上海虹口演唱會”，並現場演唱了《媽媽》、《旅行》2首歌曲 ；同年12月17日，推出與第四季好聲音學員合唱的歌曲《造我夢想》 ；同年12月27日，參加在深圳舉行的2016QQ音樂“最好的時光”跨年演唱會，並現場演唱了《當妳老了》、《媽媽》等歌曲 ；同年12月29日，推出個人單曲《溫故知心》，收錄於《第四季好聲音學員大碟—那英組》合輯中 。
2016年1月，參加央視《直通春晚》的比賽，最終未能獲得春晚邀請函 ；同年2月，推出個人單曲《別來無恙》的新春特別版本 。