1983年，张涵予成为专业配音演员，先后为《特洛伊》《米老鼠和唐老鸭》《沉默的羔羊》《拯救大兵瑞恩》《指环王》等电影配音。
1999年，在好友傅彪介绍下，张涵予出演叶京导演的电视剧《梦开始的地方》，与陶虹合作，这是他的首部电视剧。2000年，参演冯小刚电影《没完没了》，饰演一个帮傅彪讨账的社会人，这是他出演的首部电影作品；2002年，在冯小刚电影《大腕》中，客串扮演精神病院里的IT专家。2004年，参演《天下无贼》，扮演一个化装成“E时代画家”的卧底干警。
2007年，张涵予在贺岁档电影《集结号》中首次担任男主角，创下2.6亿的票房纪录，张涵予也凭借此片于2008年获得第29届大众电影百花奖、第45届金马奖“最佳男主角”奖、第15届北京大学生电影节最佳男演员奖。
2009年3月，获得第二届第二届华鼎中国影视最佳表现男演员奖；9月，主演电影《风声》，与李冰冰、周迅两位美女有大量对手戏。
2011年，参演李仁港电影《鸿门宴传奇》，首次出演武打戏饰演张良；8月，在《水浒传》中饰演宋江。
2013年3月，零片酬出演管虎执导的电影《厨子戏子痞子》，张涵予饰演的“戏子”表现“疯癫异常”，既鬼马又毒舌，一段骂小日本的个人预告是让人跌破眼镜；6月，加盟《火线三兄弟》，饰演骁勇善战的“田大林”；11月，主演电影《我爱的是你爱我》，与王珞丹在片中出演相差18岁的“忘年恋”；同年，与曾志伟、陈可辛、宁静、海清担任重庆卫视《奇迹梦工厂》的导师。
2014年12月23日，其主演的电影《智取威虎山》上映，张涵予在电影中饰演“杨子荣”一角。
2015年，加盟张艺谋执导好莱坞魔幻电影《长城》。9月，与彭于晏、冯文娟主演的警匪动作大片《湄公河行动》在曼谷正式开机。9月19日，凭借《智取威虎山》获得了第30届中国电影金鸡奖最佳男主角奖。
2016年6月，加盟吴宇森执导的重拍版《追捕》。同年，为史诗动作冒险影片《奇幻森林》中文版主角黑豹巴希拉配音。9月30日，主演的警匪动作片《湄公河行动》上映，蝉联单日票房及上座率冠军，被网友称作“国庆档最强势影片”。
2017年，联袂福山雅治主演吴宇森执导的电影《追捕》，饰演杜丘；5月19日，主演的电影《抢红》全国上映。
2018年6月，参与录制海天《熟悉的味道第三季》；同年，主演取材川航备降事件的电影《中国机长》，饰演英雄机长刘长健，票房破29亿；12月29日，中国电影家协会第十届理事会第一次会议在京召开，张涵予当选中国电影家协会副主席；参演电影《红海行动》。
2019年10月29日，第32届东京国际电影节中国电影周活动在东京闭幕并举行“金鹤奖”颁奖仪式，张涵予获得最佳男演员奖。
2020年5月4日，出演任嘉伦、李曼主演谍战剧《秋蝉》，在剧中扮演中共特工檀香；9月28日，确定出演杨枫执导的电影《铁道英雄》，扮演大队长“老洪”；10月25日，张涵予献声的讲述抗美援朝的系列电影《保家卫国——抗美援朝光影纪实》播出；
2021年7月9日，主演的由刘伟强执导的抗疫题材电影《中国医生》上映，饰演金银潭医院原院长张定宇；9月30日，上映的抗美援朝电影《长津湖》中饰演中国人民志愿军第九兵团司令、长津湖战役总指挥宋时轮；11月19日，领衔主演的电影《铁道英雄》上映，在片中饰演大队长“老洪”。
2022年1月5日，主演的犯罪悬疑动作电影《无所畏惧》开机；2月1日，主演的电影《长津湖之水门桥》上映，截至2月5日21时45分，《长津湖之水门桥》累计票房达22.34亿，助力演员张涵予累计主演电影票房突破200亿关卡。7月31日，主演的电影《莫斯科行动》 正式开机。
