1979年，剛上大二的張鐵林參與拍攝中央電視臺(tái)的第一部單集電視劇《有一個(gè)青年》，在片中扮演男主角顧明華，80年主演對(duì)越反擊戰(zhàn)影片《年輕的朋友》。
1983年，出演香港導(dǎo)演李翰祥執(zhí)導(dǎo)，梁家輝、劉曉慶主演的歷史電影《火燒圓明園》、《垂簾聽政》。同年與龔雪合作電影《大橋下面》出演見義勇為的男主角，該片獲得文化部故事片一等獎(jiǎng)。兩年后再次與龔雪合作拍攝了電影《多彩的晨光》。
1987年，赴英國(guó)留學(xué)，四年半后他留校任教。此后為BBC拍攝紀(jì)錄片，給好萊塢導(dǎo)演喬治·盧卡斯《印第安納瓊斯》當(dāng)副導(dǎo)演，他拍攝的短故事片《外國(guó)人》獲得了英國(guó)學(xué)院獎(jiǎng)。
1990年初，從英國(guó)到香港，加入徐克香港電影工作室，在《黃飛鴻1》中演孫中山，后又出演《黃飛鴻3》及《仙鶴神針》等。演戲的同時(shí)他還寫劇本，《山不轉(zhuǎn)水轉(zhuǎn)》、《孫子》、《椅子》，五年中榮獲臺(tái)灣三屆“優(yōu)良電影劇本獎(jiǎng)。
1995年，張鐵林在動(dòng)畫電影《獅子王2》中為辛巴配音。
1996年，張鐵林在剛開播的鳳凰衛(wèi)視主持節(jié)目《電影世界》。之后進(jìn)入內(nèi)地，與趙明明、袁莉、趙薇主演古裝宮斗劇《漢宮飛燕》。
1998年，與趙薇、林心如、蘇有朋主演古裝清朝喜劇《還珠格格》飾演乾隆，為觀眾所熟知，之后出演了《還珠格格2》 。
2001年，搭檔張國(guó)立、王剛主演古裝劇《鐵齒銅牙紀(jì)曉嵐》飾演乾隆，之后三人形成“鐵三角”，主演了《鐵齒銅牙紀(jì)曉嵐》系列的2、3、4部 ，以及古裝劇《布衣天子》 、《少年寶親王》、《宋蓮生坐堂》 和民國(guó)劇《五月槐花香》。
2002年，在張衛(wèi)健、嚴(yán)寬、蘇有朋主演的古裝喜劇《少年張三豐》中飾演澄空大師。同年聯(lián)合斯琴高娃、李芯逸主演家庭情感劇《眾里尋她千百度》飾林海濤。
2003年，在蘇有朋、賈靜雯主演的金庸武俠劇《倚天屠龍記》中飾演“光明左使”楊逍。搭檔吳奇隆、范冰冰主演武俠劇《名捕震關(guān)東》。同年在焦恩俊、胡靜主演的古裝神話劇《十八羅漢》中飾演老方丈。
2004年，搭檔李立群、李誠(chéng)儒主演古玩題材劇《人生幾度秋涼》，并演唱片尾曲。在吳京、袁詠儀、淳于珊珊主演的動(dòng)作劇《南少林三十六房》中飾演雍正。在徐崢、張庭、汪芫主演的清朝喜劇《滿漢全席》中飾演康熙。
2006年，聯(lián)合孫興、曹穎主演古裝喜劇《鐵將軍阿貴》。在保劍鋒、金巧巧主演的古裝勵(lì)志劇《薛仁貴傳奇》中飾李道宗。參與霍建華、孫儷主演的偶像劇《屋頂上的綠寶石》。
2007年，在唐國(guó)強(qiáng)、聶遠(yuǎn)主演的歷史劇《貞觀長(zhǎng)歌》中飾羅藝。與斯琴高娃、溫崢嶸主演歷史古裝劇《無(wú)字碑歌》飾唐高宗李治。與呂麗萍共同主演情感劇《非常夫妻》。在范冰冰、趙文瑄主演的古裝劇《大唐芙蓉園》中飾演李白。
2009年，聯(lián)合郭富城、郝蕾主演電影《白銀帝國(guó)》飾康老太爺。
2010年，搭檔唐國(guó)強(qiáng)、劉勁、鄭衛(wèi)莉主演人物傳記題材劇《黃炎培》飾黃炎培。
2011年，在歷史古裝劇《新水滸傳》中飾演洪太尉。在唐國(guó)強(qiáng)、蔣勤勤主演的歷史劇《中國(guó)1945之重慶風(fēng)云》中再次飾演黃炎培。參與胡歌、陳意涵主演的青春勵(lì)志時(shí)尚劇《摩登新人類》。在陳坤、張雨綺主演的電影《錢學(xué)森》中飾演毛澤東。
2012年，在苗圃、羅晉主演的歷史傳奇古裝劇《穆桂英掛帥》中飾演宋真宗。與王志文、霍建華主演醫(yī)療題材劇《感動(dòng)生命》。主演革命史詩(shī)歷史劇《紅軍東征》飾毛澤東。與曹曦文、馬躍主演古裝劇《黃梅戲宗師傳奇》。
2013年，參與拍攝廖京生、高云翔主演的抗戰(zhàn)劇《刀影》中飾演彭振山。
2014年，擔(dān)綱歷史劇《文房四寶》的總導(dǎo)演并領(lǐng)銜主演，該劇是以“中國(guó)文房四寶之鄉(xiāng)”—安徽宣城和“徽文化”、“徽商”為背景。
2016年10月，張鐵林做客北京衛(wèi)視書畫鑒賞文化節(jié)目《我愛書畫》。
2017年1月，參加在京舉行的優(yōu)秀華語(yǔ)網(wǎng)絡(luò)影視作品推介會(huì) ；參加高能達(dá)人秀節(jié)目《我愛二次元》；6月，原創(chuàng)街頭互動(dòng)挑戰(zhàn)脫口秀節(jié)目《真星話大冒險(xiǎn)》。
2018年2月，參加湖南衛(wèi)視聲音魅力競(jìng)演秀《聲臨其境》。
2019年10月，張鐵林出演的《小山河》殺青。
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