2012年，出演曲荣达执导的微电影《北京梦太奇》，在片中饰演男主角驰子，从而正式进入演艺圈；同年，凭借微电影《北京梦太奇》获得“首届北京高校联合电影节”最佳男演员奖。

2013年，出演许鞍华执导的剧情电影《黄金时代》，在片中饰演学生领袖，这是他的首部电影作品。

2014年，出演饶晓志执导的舞台剧《东北往事》，在剧中饰演玩世不恭的小北京。

2015年，与经超、刘小震、顾宇峰合作主演青春励志剧《青春集结号》，在剧中饰演阳光开朗且幽默机智的军校学员旁尔，并献出荧幕初吻，这是他的首部电视剧作品，从而受到关注；随后，出演林兆华执导的话剧《窝头会馆》，在剧中饰演苑国忠；同年，出演杨庆执导的剧情电影《火锅英雄》，在片中饰演银行劫匪沙僧 之后，与袁成杰、陆忠合作主演公益电影《幸福密码》，在片中饰演一个暴发户。

2016年，与颖儿、付辛博、王耀庆合作主演都市青春励志剧《最好的安排》，在剧中饰演性格直爽且讲义气的创业青年召重；同年，出演伊峥执导的青春爱情电影《虐心之旅》，在片中饰演成熟稳重且有责任感的励志文艺男青年韩伟。

2019年2月5日，与吴京、吴孟达、赵今麦、屈楚萧合作出演的科幻电影《流浪地球》上映，在片中饰演热血燃情的科学家李一一 ；5月9日，获得周末画报全球先生之夜摩登新锐演员奖；同年，其出演的犯罪动作电影《使徒行者2：谍影行动》宣布定档于8月9日全国公映。2019年7月1日，张亦驰参演的现实主义青春剧《悲伤逆流成河》现更名为《流淌的美好时光》正式登陆湖南卫视金鹰独播剧场。9月25日，参演的由李木戈执导的电视剧《司藤》在香格里拉举行开机仪式。