2016年，胡一天出演《貓的樹》系列微電影。同年，他因出演由郭敬明監制的青春偶像劇《夏至未至》，在劇 中飾演歐俊一角，正式出道。
2017年11月，胡一天首次擔任男主角，與沈月合作主演青春愛情劇《致我們單純的小美好》，在劇中飾演外冷內熱的傲嬌醫生江辰，并演唱了片尾曲《是夢吧》，憑借該劇獲得騰訊視頻星光大賞年度潛力電視劇男演員獎。12月，參加湖南衛視《快樂大本營》的錄制。
2018年，加盟懸念式戶外真人秀《二十四小時》第三季擔任常駐嘉賓，展開趣味挑戰與文化交流之旅；同年3月，加盟甜萌夢幻愛情劇《親愛的，熱愛的》，在劇中特別出演K&K戰隊隊長、計算機天才吳白（Dt）；同年7月，主演張赫洋導演電視劇《青春須早為》飾演90后創業達人“鄭乾”。同年11月參演由作家八月長安同名小說改編的電視劇《暗戀橘生淮南》，飾演男主角盛淮南。
2019年3月，搭檔張云龍、肖燕等主演超級劇集《民國奇探》，在劇中飾演從英國留學歸來的紈绔公子路垚。
2020年1月16日，根據古龍同名小說改編的古裝武俠劇《絕代雙驕》在中央電視臺電視劇頻道播出，胡一天在劇中飾演男主角花無缺。
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