1991年，张嘉益大学毕业，被分配回老家，进入西部电影集团，陆续在多部电影里担任配角。1995年，张嘉益与胡亚捷合作主演电视剧《道北人》，开始担任主角；1997年，搭档陈小艺、王大治主演家庭剧《老房子》；1999年，与邵兵、赵丽娟等主演青春励志剧《毕业生》。2001年，在电视剧《帕米尔医生》中饰演支边医生吴天云。
2002年，为了开拓自己的事业，张嘉益将家搬到了北京。2004年，主演的军事题材剧《国家使命》在央视播出，饰演北方大学研究生宋朝。2006年11月，搭档孙红雷、陈小艺主演都市生活剧《半路夫妻》，饰演有点儿窝囊的乘警江建平。
2007年，领衔主演纪实刑侦剧《国家形象》，饰演公安部门五人重案组负责人赵刚。
2009年11月，张嘉益与海清、文章主演的伦理剧《蜗居》在东方卫视播出，饰演多金、英俊、有才华的出轨男宋思明。2010年，搭档柳云龙主演谍战悬疑剧《告密者》，饰演反派杜盛奎。
2011年2月，张嘉益与邓超合作主演电视剧《你是我兄弟》，扮演谦厚老实的大哥马学武；3月，担纲男一号的谍战剧《借枪》播出，扮演窘迫特工熊阔海，凭借该剧夺得第17届上海电视节白玉兰奖最佳男演员奖；4月，出演抗战剧《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播出，张嘉益饰演周乙，与咏梅扮演一对“潜伏”的真实夫妻，张嘉益除了出演男主角，还担任艺术总监；5月，与吴秀波、海清合作的医疗题材电视剧《心术》在安徽卫视、天津卫视、东方卫视、浙江卫视联合播出，张嘉益在剧中饰演医生刘晨曦；9月，参演的公安题材电视剧《营盘镇警事》播出，出演基层派出所所长范党育，凭借该剧获得第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”，以及第15届中国电影华表奖和第29届中国电视剧飞天奖颁奖典礼的“优秀男演员”奖。
2013年，张嘉益与吴秀波合作主演的伦理剧《结婚的秘密》播出，饰演海归高富帅关浩天。
2014年3月，搭档闫妮、江疏影等主演的都市情感剧《一仆二主》在陕西卫视、东方卫视、深圳卫视、山东卫视黄金档播出，张嘉益饰演安分守己的中年大叔杨树。5月，与刘涛、聂远等合作主演的电视剧《花红花火》播出。8月，在历史剧《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》登陆四川卫视、安徽卫视、陕西卫视和天津卫视黄金档，张嘉益在剧中饰演空军机械师李国生。
2015年，在电视剧《花开如梦》中饰演的上海滩娱乐大亨孟雨农。2016年10月，主演的行业医疗剧《急诊科医生》播出。
2017年，与张一山合作主演的都市剧《大叔与少年》播出，饰演刑满出狱的60后男人杨金刚；4月，由其主演并担任艺术总监的年代剧《白鹿原》在江苏卫视、安徽卫视首播，张嘉益扮演白鹿原上的灵魂人物白嘉轩；11月，主演的都市轻喜剧《我的！体育老师》登陆浙江卫视中国蓝剧场，张嘉益在剧中饰演体育老师马克。
2018年2月28日，主演的都市家庭剧《美好生活》登陆东方卫视、北京卫视播出。2019年6月，领衔主演的都市家庭剧《少年派》在湖南卫视金鹰独播剧场播出；11月，出演卫国战争电视剧《河山》。
2020年6月，主演抗疫题材电视剧《在一起》；11月29日，领衔主演的都市情感剧《装台》在中央电视台综合频道播出，张嘉益凭借《装台》荣获“影视榜样·2020年度总评榜”最佳男主角。
2021年1月12日，主演的脱贫攻坚剧《山海情》播出，在剧中饰演马喊水；2月7日，特别出演的都市轻喜剧《小幸福》在湖北卫视长江剧场播出；4月16日，领衔主演的电影《空中之城》上映，在剧中饰演中年调酒师；7月1日，参加的庆祝中国共产党成立100周年文艺演出《伟大征程》播出，与黄渤、黄轩、闫妮、温玉娟、宋茜、王雷、范志博、许文广、刘诗诗、张奕聪、苏青、张定涵、褚栓忠、杨斯等合作表演《小康之歌》；7月13日，与沙溢、刘敏涛主演的都市家庭剧《对你的爱很美》开播，在剧中饰演性格善良老实忠厚且厨艺精湛的牛肉面老板兼主厨王大山。
2022年1月27日，张嘉益主演的电视剧《大唐狄公案》官宣阵容；5月28日，特别主演的都市爱情悬疑剧《安娜的爱人》在腾讯视频全网独播；7月21日，与闫妮、赵今麦等主演的现实题材剧《少年派2》在湖南卫视、芒果TV双平台播出。
