2003年，張壹山被《小兵張嘎》的導演徐耿挑中，出演劇中的佟樂樂壹角，雖然12歲的張壹山在劇中的戲分並不多，但是這是他的首部電視劇作品。
出席活動2004年，由《小兵張嘎》中飾演“樂樂爸爸”的演員李迎旗推薦，張壹山參加少兒題材的情景喜劇《家有兒女》的試鏡，並成功獲得飾演劉星這壹角色的機會；同年，出演由黃海剛、杜信執導的都市愛情劇《誰為愛情買單》，在劇中飾演了壹個“混世小魔王”，男主角大哥的兒子孔析析。2005年，再次與高亞麟、宋丹丹、楊紫、尤浩然等人合作，繼續出演少兒題材的情景喜劇《家有兒女》的續作《家有兒女2》。2006年，繼續主演《家有兒女》系列的第三部；同年，出演由宋業明、黃港執導的歷史題材清裝劇《船政風雲》，飾演小蘇阿哥。2007年，出演《家有兒女4》繼續飾演劉星壹角，至此家有兒女系列四部作品完結；同年，出演由尚敬執導的情景喜劇《妙想天開》，飾演阿甘壹角；同年，在《生於80後》之中飾演了壹個十七歲的少年劉刀。因為父親去世，
不得不由父親的小妻子安雯充當他的監護人，兩個人互相看不順眼，卻意外地在磕磕絆絆之中醞釀出了親情。2008年，出演由林浩然執導的少年勵誌電影電影《扣籃對決》，在影片中飾演籃球隊隊員猴子，該片是張壹山拍攝的首部電影作品。2009年，與成龍***同主演兒童電影《尋找成龍》，張壹山飾演了壹個因喜愛武術而去尋找成龍學功夫的少年，該片所有武打戲份張壹山均親自完成，沒有用替身；同年，與《家有兒女》原班人馬***同出演兒童劇《不想長大》。2010年，客串情景喜劇《圓圓的故事》；同年11月，文雋、葉偉民執導的功夫片《李小龍我的兄弟》上映，張壹山在劇中飾演劉連光壹角。2014年，在都市家庭輕喜劇《食來孕轉》中飾5演馬瑞壹角；同年，在軍旅題材電視劇《大熔爐》中飾演雖然外表痞氣，但內心真誠重情義、充滿正義感的小士兵徐小斌；同年7月，參演青春勵誌喜劇電影《黃金福將》；10月，在電影《奪路而逃》中飾演男主角周曉易。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；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；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。2017年1月，張壹山攜手成龍、楊紫***同演唱喜劇電影《功夫瑜伽》的同名主題曲《功夫瑜伽》；2月12日，加盟浙江衛視《高能少年團》，首次擔任常駐嘉賓並擔任高能隊長；2月17日，主演懸疑愛情劇《柒個我》，在劇中飾演擁有著多重人格的集團繼承人沈亦臻；7月16日，主演的都市劇《大叔與少年》開機。