2012年，出演曲榮達執導的微電影《北京夢太奇》，在片中飾演男主角馳子，從而正式進入演藝圈；同年，憑借微電影《北京夢太奇》獲得“首屆北京高校聯合電影節”最佳男演員獎。
2013年，出演許鞍華執導的劇情電影《黃金時代》，在片中飾演學生領袖，這是他的首部電影作品。
2014年，出演饒曉志執導的舞臺劇《東北往事》，在劇中飾演玩世不恭的小北京。
2015年，與經超、劉小震、顧宇峰合作主演青春勵志劇《青春集結號》，在劇中飾演陽光開朗且幽默機智的軍校學員旁爾，并獻出熒幕初吻，這是他的首部電視劇作品，從而受到關注；隨后，出演林兆華執導的話劇《窩頭會館》，在劇中飾演苑國忠；同年，出演楊慶執導的劇情電影《火鍋英雄》，在片中飾演銀行劫匪沙僧 之后，與袁成杰、陸忠合作主演公益電影《幸福密碼》，在片中飾演一個暴發戶。
2016年，與穎兒、付辛博、王耀慶合作主演都市青春勵志劇《最好的安排》，在劇中飾演性格直爽且講義氣的創業青年召重；同年，出演伊崢執導的青春愛情電影《虐心之旅》，在片中飾演成熟穩重且有責任感的勵志文藝男青年韓偉。
2019年2月5日，與吳京、吳孟達、趙今麥、屈楚蕭合作出演的科幻電影《流浪地球》上映，在片中飾演熱血燃情的科學家李一一 ；5月9日，獲得周末畫報全球先生之夜摩登新銳演員獎；同年，其出演的犯罪動作電影《使徒行者2：諜影行動》宣布定檔于8月9日全國公映。2019年7月1日，張亦馳參演的現實主義青春劇《悲傷逆流成河》現更名為《流淌的美好時光》正式登陸湖南衛視金鷹獨播劇場。9月25日，參演的由李木戈執導的電視劇《司藤》在香格里拉舉行開機儀式。
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