2000年，张译所在的战友文工团开始排演《士兵突击》的话剧版《爱尔纳·突击》。他做了长达三年的场记工作，让他对《士兵突击》的理解和感情已非一般人能比。“三年的场记加上三年的等待，总共六年，一直到2006年电视剧《士兵突击》开拍。当兵十年，张译跑了十年龙套。除了自己热爱的“主业”表演外，张译还有很多“副业”爱好：录广播剧、写剧本。2004年，张译写的短剧剧本《文小姐·武将军》没被团里通过，却意外地发表在了《剧本月刊》。

2006年12月24日，与王宝强、陈思成、段奕宏主演的电视剧《士兵突击》在中国首播。

2008年9月22日，与王千源、闫妮、李明启主演的《三七撞上二十一》在大连拍摄，由导演马小刚执导。

2009年3月5日，与段奕宏、张国强、邢佳栋主演的电视剧《我的团长我的团》在中国首播；9月19日，与廖凡、李晨、杨烁主演的电视剧《生死线》在中国首播，该剧改编自兰晓龙的最新畅销战地小说《生死线》，并且由2008年两部最震撼人心的电视剧《士兵突击》与《闯关东》的主创班底携手创作。

2010年11月13日，与沈傲君、王媛可主演的电视剧《兵团岁月》中国首播；同年主演电视剧《枪声背后》上映。

2011年1月1日，与陈宝国、冯远征主演的电视剧《钢铁年代》在中国首播；5月17日，与潘雨辰主演的电视剧《雪花那个飘》在中国首播；6月15日，参与拍摄的电影《建党伟业》在中国首播；12月5日，张译、潘虹、张歆艺主演的电视剧《新上门女婿》在中国首播；12月10日，与陈思成、李晨、杨幂主演的电视剧《北京爱情故事》在北京开机。

2012年1月18日，主演的电视剧《北京爱情故事》在中国首播，饰演剧中角色石小猛；4月23日，与黄晓明、张歆艺主演的电影《匹夫》在中国首映；4月25日，与王珞丹主演的电影《老人愿》在中国首映；7月6日，参与拍摄的电影《搜索》在中国首映。

2013年1月29日，参与拍摄的电影《愤怒的小孩》在中国首映；2月10日，参与拍摄的电影《越来越好之村晚》在中国首映；8月，由导演杜军执导，张译、高露、战菁一、李博主演的电视剧《好男儿之情感护理》在威海杀青；9月2日，与海清主演的电视剧《抹布女也有春天》在中国首播；9月14日，与孙俪主演的《辣妈正传》在中国首播。

2014年3月，张译同陈乔恩、蔡明主演都市家庭轻喜剧《嫁个老公过日子》；4月2日下午，由陈可辛执导的打拐题材电影《亲爱的》在清华大学举行开机发布会。张译与赵薇、黄渤、佟大为、郝蕾五位主演出席，该片定于2014年9月26上映；10月1日，参与拍摄由汤唯、冯绍峰、王志峰主演的电影《黄金时代》中国首映；同年，与林嘉欣、韩在硕主演电影《好事总成双》。

2016年1月，爱情电影《奔爱》曝光了一套“相偎相依”版情侣海报，该剧由章子怡、彭于晏、佟丽娅、周冬雨、陈妍希、张译、梁静、王千源、吴莫愁等主演。

2016年3月，参演电影《绣春刀·修罗战场》。

2016年3月26日，青春悬疑电影《少年》正式开机，张译作为主演加盟。

2017年1月1日，主演的都市情感剧《守护丽人》在东方卫视及深圳卫视首播  ；6月，与张国立、李建义等人合作主演都市亲情剧《亲爹后爸》  ；随后，凭借《鸡毛飞上天》 获得第23届上海电视节-白玉兰奖最佳男主角奖。

2018年1月，获2017国剧盛典演技卓越剧星奖。1月10日，张译演唱的《红海行动》主题曲《红海行动》MV上线。1月11日，确认参演电影《江湖儿女》。同月，参演电影《刀尖》。3月18日，参加“剧耀东方2018电视剧品质盛典”与王凯、黄晓明和张嘉译演唱歌曲《光阴的故事》。4月，获第31届飞天奖优秀男演员提名。5月6日，凭借《红海行动》获第二十五届北京大学生电影节最佳男演员奖提名。7月12日，发行组合单曲《青春不一样》。9月21日，参演的电影《江湖儿女》上映。

2019年，参演的电影《八佰》上映。