2011年张天阳参演首部电视剧《开天辟地》，在剧中饰演英俊潇洒年轻时期的刘少奇，从而进入娱乐圈；同年还参演电视剧《岁月骄阳》。

2012年7月张天阳与何晟铭、李晟等主演的清宫剧《倾城绝恋》以及与郑国霖主演的民国传奇剧《飘摇人生》先后播出，张天阳分别饰演承毅和段元斌；12月份张天阳在袁姗姗、蔡少芬主演的古装剧《美人无泪》中饰演痴情专一的多铎。

2013年2月张天阳与霍建华、陈乔恩等主演的武侠剧《笑傲江湖》在湖南卫视播出并获得同时段收视冠军，在剧中张天阳饰演亦正亦邪的计无施；同年张天阳还参演了历史剧《红流》和网络剧《我为宫狂》。

2014年4月张天阳与袁姗姗、陆毅等主演的古装剧《宫锁连城》以及与唐嫣、霍建华主演的《金玉良缘》分别在湖南卫视和江苏卫视首播；此外张天阳搭档Angelababy出演古装大片《大汉情缘之云中歌》和，陈妍希、陈晓主演的武侠翻拍剧《神雕侠侣》。

2015年6月参演古龙武侠巨制《边城浪子》，饰演白天羽；12月清装传奇巨制《大清江山之龙胆花》杀青，张天阳挑战“多铎”一角。

2016年，1月拍摄电视剧《锦绣未央》。2月古龙经典武侠电视剧《新萧十一郎》播出，张天阳饰演朱白水。3月电影《喜乐长安》在京举行首映发布会，张天阳亮相。2017年3月，与孙骁骁，路宏合作主演古装爱情神话剧《白蛇传》。

2017年，出演由丁黑执导，孙俪、陈晓领衔主演的电视剧《那年花开月正圆》，饰演吴泽。同年，出演由张永新执导，吴秀波、李晨等主演的电视剧《虎啸龙吟》，饰演魏明帝曹叡的内侍辟邪。

2018年，出演秦俊杰领衔主演的电视剧《听雪楼》，饰演南楚。

2019年，出演由于荣光执导，杨佑宁领衔主演的电视剧《天龙八部》，饰演虚竹。11月17日，出演由刘国辉、赵立军执导的谍战剧《迷局破之深潜》。