2010年12月，张艺兴以公开练习生身份参与同公司组合SHINee日本一巡演唱会的舞蹈演出，代替受伤的成员钟铉跳舞。

2012年1月17日，张艺兴以SM公司公布男子组合EXO成员LAY的身份首次亮相，并公开单人出道预告照及第一支单人舞蹈预告《PHOENIX凤凰》 ；4月8日，以EXO团体和其子队EXO-M中国成员身份正式出道；12月29日，作为唯一的中国籍主舞与SM旗下男子组合中的舞蹈精英集结成“SM7”，参与SBS歌谣大战S.M. The Performance特别舞台的演出。

2013年12月，EXO以圣诞特别专辑《十二月的奇迹》回归，而张艺兴在舞台上的钢琴演奏则获得媒体和专业音乐人的认可。而在2014年4月份举办的EXO日本FANMEETING中，张艺兴再次进行了钢琴伴奏。

2014年5月23日，张艺兴在EXO首尔演唱会中公开自作曲《I’m Lay》；6月起，以个人名义在中国国内进行活动，先后主持《音乐风云榜》、《全球中文音乐榜上榜》，并参加录制《星厨驾到》、《星星的密室》及《年代秀》等综艺节目；9月19日，变身特派记者应邀参加中央电视台体育频道(CCTV-5)的仁川亚运会特别节目，探访了中央电视台演播室；12月31日，在湖南卫视跨年演唱会中再次公开自作曲目《I’m Coming》并独秀舞技。

2015年2月11日，与张泉灵、任鲁豫、柳岩搭档主持CCTV网络春节联欢晚会，担任分享大使与表演嘉宾和网友互动；3月7日，在EXO首尔二巡演唱会上，张艺兴公开了自作曲《约定》，这首歌同时收录于EXO专辑《LOVE ME RIGHT》中，而他亦是第一位拥有个人原创曲收录进组合专辑的成员；5月13日，以固定嘉宾的身份加盟东方卫视励志体验真人秀节目《极限挑战》；9月17日，个人首部成长记录图文书《而立·24》开售24分钟以近7万册的销售成绩刷新图书界预售活动新记录；10月7日，张艺兴在生日会上首次公布5首原创新歌；10月10日，EXO成为首个登上韩国巨蛋开唱的艺人团体，而张艺兴也成为第一个登上韩国巨蛋的中国艺人；11月3日，获得亚洲影响力东方盛典最具影响力全能艺人；11月6日，特别出演爱情喜剧片《前任2：备胎反击战》，并亲自作词谱曲及献唱主题曲《一个人》；11月15日，出席“风从东方来”娱乐影响力盛典并获得年度音乐先锋人物奖；12月4日，张艺兴主演的首部大荧幕作品《从天儿降》上映，并为该片作词作曲并演唱主题曲《青春快乐》；12月18日，确认主演时尚爱情喜剧电影《闭嘴！爱吧》并在片中饰演男主角中国歌手韩彬 。

2016年1月15日，张艺兴主演的喜剧悬疑片《极限挑战》上映；4月9日，张艺兴凭借原创歌曲《一个人》获得第16届音乐风云榜年度盛典年度最受欢迎电影歌曲及年度最受欢迎新人两项个人奖项；4月17日，继续加盟《极限挑战第二季》 ；5月27日，张艺兴公开Solo原创单曲《独角戏》 ；5月31日，参演个人首部都市情感剧《好先生》，他在剧中饰演热爱厨艺、执着追梦的后厨菜鸟小蔡，并凭借该剧提名第22届华鼎奖中国百强电视剧最佳新锐演员；6月26日，张艺兴凭借爱情喜剧片《前任2：备胎反击战》获得第四届中英电影节最佳男配角奖；7月4日，其主演的民国悬疑剧《老九门》播出，张艺兴饰演儒雅温润且情深义重的长沙花鼓戏名角二月红，该剧在播出后以1.138%的平均收视率刷新年度各卫视周播剧的收视纪录，网络播放量突破百亿，成为全网史上首部破百亿的自制剧；10月7日，发布首张原创Solo专辑先行曲《What U need》，该曲MV公开21小时，海外官方平台YouTube播放量便破百万，张艺兴成为YouTube平台上MV最快突破100万的中国籍歌手，同时刷新SM娱乐旗下男艺人solo首日YouTube点击最好成绩；10月20日，继续主演民国悬疑片《老九门番外之二月花开》饰演二月红，该片上线十天播放量突破5000万；10月28日，发行个人首张创作专辑《LOSE CONTROL》，随后该专辑刷新韩国solo歌手各项记录（首日/首周/年销），实体专辑销量突破27万，数字专辑销量突破100万，并刷新华语专辑iTunes榜单最好成绩，此外，他还凭借该专辑获得音悦V榜年度盛典年度专辑、内地最佳男歌手两项奖项。

2017年1月27日，张艺兴首次登上央视春晚舞台，并与井柏然合唱歌曲《健康动起来》；1月28日，由唐季礼执导的功夫喜剧电影《功夫瑜伽》上映，他在片中饰演考古学助教朱小光，该片最终以17.53亿元夺得本年春节档票房冠军；2月27日，获得第2届中国电视剧品质盛典年度全能艺人奖；4月24日，与陈都灵合作主演的校园青春偶像剧《求婚大作战》首播，他在剧中饰演性格内向的严小赖，并为该剧配唱插曲《祈愿》；7月9日，继续加盟星素互动励志体验节目《极限挑战第三季》；7月27日，其参演的战争片《建军大业》上映，他在片中饰演秋收起义总指挥卢德铭，并凭借该剧提名第9届澳门国际电影节最佳男配角奖；9月8日，张艺兴的蜡像在北京杜莎夫人蜡像馆音乐区举行揭幕仪式；9月17日，确定主演由都市探险同名小说改编的电视剧《黄金瞳》，并在剧中饰演男主角庄睿；9月25日，发行先行曲《I NEED U》并宣布回归乐坛；10月7日，发行第二张个人专辑《SHEEP》，该专辑获得iTunes worldwide世界专辑榜第9名，再次刷新华语专辑及歌手在世界专辑榜排名最高的在榜记录(2016.10.28《Lose Control》16位)，而张艺兴则成为首个登上海外iTunes专辑榜前十的华语歌手；与此同时，张艺兴在这一年的福布斯中国名人榜中排名则跃居到了第20位；10月18日，张艺兴以《老九门》中“二月红”的造型为原型的第二个蜡像在上海杜莎夫人蜡像馆《老九门》影视娱乐专区揭幕；12月22日，发行冬日唱片《Winter Special Gift》。

2018年1月，与汤唯、朱亚文合作主演古装宫廷剧《大明皇妃孙若微传》，并在剧中饰演一生跌宕起伏、两次登基帝位的明英宗朱祁镇；19日，以全民制作人代表的身份加盟偶像男团竞演养成类真人秀《偶像练习生》。2月15日，2018年中央电视台春节联欢晚会，张艺兴与黄渤、陈伟霆表演歌曲《最好的舞台》；3月30日，以信使的身份参加央视一套人文艺术类节目《信·中国》 ；3月26日，第25届东方风云榜音乐盛典获得“年度最佳专辑”、“年度最佳制作人”、“年度最受欢迎男歌手”，并在现场演唱歌曲串烧《I NEED U》 《CAN YOU FEEL ME》；4月30日，央视五四晚会录制，张艺兴荣获2018年度“五月的鲜花”优秀青年演员称号；同月，参演由黄渤执导的电影《一出好戏》；5月，献唱“五四青年节”特别歌曲《强国一代有我在》，并参演MV；10月，张艺兴携新专辑《梦不落雨林/NAMANANA》亮相湖南卫视《天天向上》。

2019年2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，张艺兴与凤凰传奇、钟汉良、迪丽热巴、周冬雨表演歌舞《中国喜事》；2月28日，第三尊个人蜡像在香港杜莎夫人蜡像馆举行揭幕仪式。