2002年，在李雪键主演的战争剧《中国轨道》中饰孙伟。2003年7月，出演了陆川执导的电影《可可西里》，该片由真实事件改编，讲述了上世纪90年代可可西里巡山队员与藏羚羊盗猎分子展开殊死较量的故事，这也是他的首部电影作品。2004年6月，主演了我国第一部反映傈僳族生活题材的影片《怒江魂》，在剧中饰演男主角李启。2006年1月，他与谢君豪合作主演了反特题材作品《保密局的枪声》，饰演中共特科在军统的卧底刘啸尘。
2007年1月，主演反腐剧《黑白人生》，诠释了正直又有责任感的公安局代理局长李斌良；9月，在李光洁主演的红色抗日作品《杀虎口》中饰伪军首领钱佳皓；10月，主演卫翰韬执导的都市励志剧《生命有明天》；同年，与石兆琪合作主演了改编自日本推理漫画《金田一少年之事件簿》的《深瞳》，扮演警察老江。
2008年9月，主演商战剧《新安家族》，他在剧中饰演男主角程天送。2009年10月，主演了红色抗战剧《地雷战传奇之锄奸行动》，饰演大反派刘振堂。
2011年7月，主演了由高峰、于鹏联合执导的我国第一部以《诗经》内容为题材的电影《关关雎鸠》，扮演画家庄孟辰；9月，参加了武侠战争剧《南少林荡倭英豪》的演出，扮演林家镖局大少爷林展翔；同年，在谷诗阳执导的民国抗战剧《刀锋乱世情》中饰演华扬生。
2012年4月，主演了刑警题材作品《势不两立》，在剧中饰演卧底马子龙；4月6日，参演电视剧《云飞丝路天》；2013年5月，与董维嘉合演了刑侦题材悬疑剧《中国刑警803》，扮演刑侦总队的队长陈雷；12月，在王茜、刘钧领衔主演的医疗行业剧《急诊室故事》中饰汪晓寒。
2016年7月31日，与赵子琪、李宗翰共同出演的刑侦剧《谜砂》在东方卫视播出；10月20日，参演的电影《老九门番外之二月花开》上线播出，他饰演日军头目神宫未来；12月12日，主演的都市情感剧《和妈妈一起谈恋爱》播出，在剧中饰演张大哲。
2017年5月13月，主演刑侦剧《中国刑警803英雄本色》播出，在剧中饰演803刑警队队长陈雷；同年，参演了电影《大梦西游3女儿国奇遇记》和电视剧《烟雨潍水》。2018年12月3日，主演的抗战剧《音乐会》播出，在剧中饰演东北抗日联军第十一军司令秋雨豪。
2019年3月28日，参演的悬疑网络剧《暗黑者3》播出；10月14日，与方逸伦、凌美仕主演国风爱情剧《明月照我心》播出，在剧中饰演着忧国忧民、明辨是非的皇帝。
2020年2月8日，与张嘉益、张延主演的年代商战剧《云飞丝路天》在山东卫视播出，他饰演改邪归正的伍彪；6月8日，与张耀、张雅钦共同出演古装武侠剧《少年游之一寸相思》播出；9月16日，与廖凡、白宇共同出演现代悬疑剧《沉默的真相》播出，在剧中饰演心狠手辣、作恶多端的集团头目胡一浪；12月13日，参演电视剧《巡回检察组》，饰演盛罗平；同年，参演电影《完美受害人》。
2021年4月13日，参演电视剧《号手就位》，饰演王金瀛；同年，参演张哲瀚主演电视剧《复古神探》；同年，参演电视剧《玉楼春》；9月16日，参演的古装剧《公子倾城》播出，他在剧中饰演皇上。同年，参演电视剧《双镜》；11月6日，主演的年代剧《铸匠》在中央电视台CCTV-8频道经典剧场全国首播；11月8日，参演的电视剧《当家主母》在爱奇艺、腾讯视频、优酷全网首播；参演电视剧《双世宠妃Ⅲ》。
2022年2月22日，古装励志剧《尚食》播出，张垒在剧中饰演杨士奇；参演电影《不要忘记我爱你》；同年4月，客串演出的古装美食剧《珍馐记》在哔哩哔哩播出；参演电视剧《第二次拥抱》饰演张群，8月1日在爱奇艺、浙江卫视同步播出。
