1995年，张嘉译与胡亚捷合作电视剧《道北人》出演张建国。

2000年，从西安返回北京，2001年，在电视剧《帕米尔医生》中饰演支边医生吴天云。

2004年，张嘉译参演《国家使命》，之后参演何群导演的《使命》，并于此之后与之合作系列电视剧《神圣使命》、《沉默》。

2006年11月，参演电视剧《半路夫妻》出演有点儿窝囊的乘警江建平。

2007年，在电视剧《国家形象》中出演缉毒警察，饰演公安部门五人重案组负责人赵刚。

2009年11月，张嘉译与海清、文章主演电视剧《蜗居》，该剧反映在房价飙升的背景下普通人在都市生活中历经的种种波折，涉及“房奴”、“贪官”、“二奶”等社会现象引人深思。张嘉译凭借有着社会地位且充满矛盾的备受争议人物“宋思明”走红。

2010年11月，张嘉译与柳云龙领衔主演谍战悬疑剧《告密者》，挑战反派杜盛奎。

2011年2月，张嘉译与邓超合作《你是我兄弟》扮演谦厚老实的大哥马学武；3月，由导演姜伟、作家龙一打造的谍战剧《借枪》播出，扮演最窘迫的特工 “熊阔海”，并凭借《借枪》夺得第十七届上海电视节白玉兰最佳男演员奖。；4月，参演电视剧《双枪李向阳之再战松井》饰演李向阳；6月，参演电影《建党伟业》饰演李大钊 。

2012年1月，主演的谍战剧《悬崖》登陆东方卫视、黑龙江卫视和天津卫视，张嘉译饰演周乙，与咏梅扮演一对“潜伏”的真实夫妻，张嘉译除了出演男主角，还担任艺术总监；5月，与吴秀波、海清合作医疗题材电视剧《心术》饰演刘晨曦；9月，参演公安题材电视剧《营盘镇警事》，出演基层派出所所长范党育。2013年12月26日，凭借《营盘镇警事》《悬崖》《心术》《浮沉》获得第15届中国电影华表奖、第29届中国电视剧飞天奖颁奖典礼的“优秀男演员”奖。

2013年，张嘉译与妻子王海燕、吴秀波合作电视剧《结婚的秘密》饰演的海归高富帅关浩天。2013年8月，张嘉译同闫妮、江疏影等主演都市情感剧《一仆二主》， 饰演安分守己的中年大叔“杨树”，该剧于2014年3月19日首播，就占据了卫视电视剧收视排行榜冠军，取得了2.387%的收视率。

2014年1月，跨年代情感剧《爷们儿》海口开机，张嘉译在剧中饰演空军机械师李国生一角。2014年3月，张嘉译与妻子王海燕合作，主演电视剧《幸福双黄线》 ；4月4号，与胡彦斌担任韩磊《我是歌手2》的帮唱嘉宾。5月，张嘉译携手刘涛、聂远、姬他等主演电视剧《花红花火》。9月7日，《我的老婆大人是八零后》在上海开机，剧中饰演60后冰山大叔董靖晖。

2014年8月8日在《历史转折中的邓小平》中饰演习仲勋。9月23日，主演的跨年代情感剧《爷们儿》登陆四川、安徽、陕西和天津四大卫视黄金档。10月12日，凭借电视剧《营盘镇警事》获得第27届中国电视金鹰奖“观众喜爱男演员奖”以及“最具人气男演员奖”。12月17日，安徽卫视“2014国剧盛典”在北京举行，张嘉译获颁最佳男演员奖。2014年结束《后海不是海》的拍摄后，前往澳大利亚参加“澳世盛宴”，并获“澳洲之友”称号。

2015年，领衔主演史诗剧《白鹿原》并担任艺术总监，扮演白鹿原上的灵魂人物白嘉轩；期间参演电视剧《花开如梦》，饰演的上海滩娱乐大亨孟雨农；客串电视剧《猎场》，饰演胡歌作为猎头猎取的第一个大人物曲闽京。

2016年，主演都市轻喜剧《我的！体育老师》。10月主演行业医疗剧《急诊科医生》。

2017年，由张嘉译主演并担任艺术总监的《白鹿原》播出，同年主演都市情感剧《美好生活》、《大叔与少年》。11月13日，都市轻喜剧《我的！体育老师》登陆浙江卫视中国蓝剧场，张嘉译在剧中饰演体育老师马克。

2018年2月28日，都市家庭剧《美好生活》登陆东方卫视、北京卫视播出。

2019年6月9日，领衔主演的都市家庭剧《少年派》登陆湖南卫视金鹰独播剧场播出。7月16日，其特邀出演的古装传奇剧《九州缥缈录》播出，剧中饰演百里景洪一角 ；9月24日，由李少飞执导的电视剧《我待生活如初恋》官宣，张嘉译在剧中饰演刁顺子，与闫妮继《少年派》后再度合作；11月6日，出演的卫国战争电视剧《河山》播出。