1983年，张涵予成为专业配音演员。先后为《特洛伊》《米老鼠和唐老鸭》《沉默的羔羊》《拯救大兵瑞恩》《指环王》等影片配音。

　　1999年，在好友傅彪先容下，张涵予参与演出叶京导演的电视剧《梦开始的地方》，和陶虹合作，这是他的第一部电视剧。2000年，参演冯小刚讲良项达影片《没完没了》，张涵予扮演一个帮傅彪讨账的社会人，这是他参与演出的第一部影片作品。2002年，在冯小刚影片《大腕》中，客串扮演精神病院里的IT专家。2004年，参演影片《天下无贼》，张涵予扮演一个化装成“E时代画家”的卧底干警。

　　2007年，在贺岁档影片《集结号》中第一次担任男主角，创下2.6亿的票房纪录，张涵予也凭借此片于2008年获得第29届大众影片百花奖、第45届金马奖“最佳男主角”奖、第15届北京大学生影片节最佳男演员奖。2009年3月份，张涵予获得第二届第二届华鼎中国影视最佳表现男演员奖；6月份，为反人口贩卖行动推出的第一部宣传动画《交汇点》配音。9月份，张涵予主演影片《风声》，和李冰冰、周迅两位美女有大量对手戏。2011年，参演李仁港影片《鸿门宴传奇》，第一次参与演出武打戏扮演张良；8月份，张涵予在电视剧《水浒传》中扮演宋江。

　　2013年3月份，零片酬参与演出管虎执导的影片《厨子戏子痞子》，张涵予扮演的“戏子”表现“疯癫异常”，既鬼马又毒舌，一段骂小日本的个人预告是让人跌破眼镜；6月份，加盟电视剧《火线三兄弟》，张涵予扮演骁勇善战的“田大林”；11月份，主演影片《我爱的是你爱我》，和王珞丹在这部片中参与演出相差18岁的“忘年恋”；这年，张涵予和曾志伟、陈可辛、宁静、海清担任重庆卫视《奇迹梦工厂》的导师。

　　2014年12月23号，主演的影片《智取威虎山》上映，张涵予在影片中扮演杨子荣。2015年，加盟张艺谋执导好莱坞魔幻影片《长城》。9月份，张涵予与彭于晏、冯文娟主演的警匪动作大片《湄公河行动》在曼谷正式开机。9月19号，张涵予凭借影片《智取威虎山》获得了第30届中国影片金鸡奖最佳男主角奖。

　　2016年6月份，加盟吴宇森执导的重拍版《追捕》。这年，张涵予为史诗动作冒险影片《奇幻森林》中文版主角黑豹巴希拉配音。9月30号，张涵予出演的警匪动作片《湄公河行动》上映，蝉联单日票房及上座率冠军，被网友称作“国庆档最强势影片”。2017年，连袂主演吴宇森执导的影片《追捕》，扮演杜丘；5月19号，张涵予出演的影片《抢红》全国上映。

　　2018年6月份，参与录制海天《熟悉的味道第三季》；这年，出演取材川航备降事件的影片《中国机长》，张涵予扮演英雄机长刘长健，票房破29亿；12月29号，中国影片家协会第十届理事会第一次会议在京召开，张涵予当选中国影片家协会副主席；这年，张涵予参演影片《红海行动》。2019年10月29号，第32届东京国际影片节中国影片周活动在东京闭幕并举行“金鹤奖”颁奖仪式，张涵予获得最佳男演员奖。

　　2020年5月4号，参与演出任嘉伦、李曼主演谍战剧《秋蝉》，张涵予在这部剧中扮演中共特工檀香；9月28号，确定参与演出杨枫执导的影片《铁道英雄》，张涵予扮演大队长“老洪”；10月25号，张涵予献声的讲述抗美援朝的系列影片《保家卫国——抗美援朝光影纪实》播出。

　　2021年7月9号，出演的由刘伟强执导的抗疫题材影片《中国医生》上映，张涵予扮演金银潭医院原院长张定宇；9月30号，上映的抗美援朝影片《长津湖》中演中国人民志愿军第九兵团司令、验少立长津湖战役总指挥宋时轮；11月19号，张涵予领衔主堡榜询采演的影片《铁道英雄》上映，张涵予在这部片中扮演大队长“老洪”。

　　2022年1月5号，张涵予出演的犯罪悬疑动作影片《无所畏惧》开机；2月1号，出演的影片《长津湖之水门桥》上映，截至2月5日21时45分，《长津湖之水门桥》累计票房达22.34亿，助力演员张涵予累计主演影片票房突破200亿关卡。7月31号，张涵予出演的影片《莫斯科行动》正式开机。