2000年，参演首部电视剧《天网情网》。2005年，参演中央戏剧学院2002级表演系本科班的毕业作品《图兰朵》，饰演卡拉夫王子，凭借话剧《图兰朵》获得国际戏剧节表演教学研讨会与演出展“优秀表演奖”。
2006年，在吴君如主演的电视剧《天下第一媒婆》中饰演慕容明珠2007年9月，参演贾一平、马伊琍主演的都市情感偶像剧《幸福在哪里》
2008年7月，主演的话剧《谁爱谁爱谁谁》在人艺实验剧场上演，并演出17场，张博在剧中一人分饰多角，该剧入围2008星光大典年度舞台剧单元；主演海岩电视剧《舞者》在湖南卫视播出，张博饰演谷子。
2010年，参演高希希执导的电视剧《三国》，凭借孙权一角获得搜狐夏季电视剧互联网盛典最佳男新人奖；参演张丰毅主演电视剧《孙子大传》，饰演勾践；在电视剧《苍穹之昴》里饰演光绪。
2011年6月，与徐帆、陈小艺、胡军主演电视剧《青春四十》，与徐帆在剧中有一段“姐弟恋”。
2012年12月18日，参演的电视剧《天下人家》播出。
2013年4月13日，与谭凯、李泰兰等主演的刘心刚编剧并执导的讲述民航人成长故事的电视剧《云上的诱惑》登陆湖南卫视播出，张博饰演机械师罗匡；6月，出演的电视剧《战雷》在北京、安徽、云南、深圳四大卫视播出，饰演男一号排雷英雄“高等”。
2014年，与秋瓷炫、巩铮主演的民国苦情剧《秀秀的男人》于浙江卫视播出，饰演身世坎坷、重情重义的杀手石海生；6月10日，连同黄觉、周显欣、潘之琳等主演的刘心刚执导的电视剧《金战》在北京卫视、浙江卫视上星播出。
2015年4月2日，搭档闫妮合作主演的《王大花的革命生涯》在央视一套播出；5月5日，《坐88路车回家》于山东卫视、辽宁卫视播出，张博接地气表演引共鸣；7月25日，与蒋梦婕等主演的《绝命追踪》在重庆卫视、云南卫视上星播出；10月16日，张博主演的《巨浪》于北京卫视播出。
2016年，38集抗日动作悬疑剧《战寇》播出，张博饰演特战队队长陈宇。参演电视剧《乔家大院》续集《乔家大院之光明之路》。
2017年2月，搭档邢佳栋等出演的古装历史剧《大秦帝国之崛起》登陆央视一套黄金档播出，饰演第一男主角嬴稷；12月18日，搭档黄晓明、刘昊然等主演的古装剧《琅琊榜之风起长林》在北京卫视和东方卫视播出，他在剧中饰演禁军大统领荀飞盏；同年，搭档车晓、蒋依依等主演超级网剧《谜·途》，饰演男主黎一。
2019年11月25日，与黄晓明、谭卓等合作主演的现代都市题材网台剧《危机先生》在成都开机。
2020年1月31日，与黄晓明、蔡文静等演唱的公益歌曲《我们一定会胜利》发布。8月9日，与李乃文、黄曼等合作主演的主旋律电视剧《逐梦蓝天》在汉中开机。
2021年7月27日，领衔主演的电视剧《逐梦蓝天》开播。
2021年12月31日，参加“2021最美的夜bilibili·晚会”。
