1979年，刚上大二的张铁林参与拍摄中国中央电视台的第一部单集电视剧《有一个青年》，在片中扮演男主角顾明华。
1980年，参演周里京、王薇、方舒主演的对越反击战影片《年轻的朋友》，在片中饰演黄河边长大的农村战士何建武。
1983年，出演香港导演李翰祥执导，梁家辉、刘晓庆主演的历史电影《火烧圆明园》、《垂帘听政》，在片中饰演咸丰帝同父异母的兄弟恭亲王爱新觉罗·奕訢；同年，与龚雪合作剧情电影《大桥下面》，在片中饰演见义勇为的男主角高志华，该片获得文化部故事片一等奖。
1984年，再次与龚雪合作，拍摄了电影《多彩的晨光》，在片中饰演来自小银岛渔村的林礼双。
1987年，赴英国留学，四年半后他留校任教。此后为BBC拍摄纪录片，给好莱坞导演乔治·卢卡斯《夺宝奇兵》当副导演，他拍摄的短故事片《外国人》获得英国电影学院奖。
1990年初，从英国到香港，加入徐克香港电影工作室，在《黄飞鸿之二男儿当自强》中演孙中山，后又出演《仙鹤神针》及《黄飞鸿之五：龙城歼霸》等。演戏的同时他还写剧本，《山不转水转》、《孙子》、《椅子》，五年中先后三次获得台湾“优良电影剧本奖。
1995年，在动画电影《狮子王2》中为辛巴配音。
1996年，在刚开播的凤凰卫视主持节目《电影世界》。之后进入中国内地，与赵明明、袁立主演古装宫斗剧《汉宫飞燕》，在剧中饰演汉成帝刘骜。
1998年，与范冰冰、林心如、苏有朋主演古装清朝喜剧《还珠格格》，在剧中饰演“皇阿玛”乾隆，为观众所熟知。
1999年，出演了《还珠格格第二部》。
2001年，搭档张国立、王刚主演古装剧《铁齿铜牙纪晓岚》，在剧中饰演乾隆，之后三人形成“铁三角”，主演了《铁齿铜牙纪晓岚》系列的2、3、4部。以及古装剧《布衣天子》、《少年宝亲王》、《宋莲生坐堂》和民国剧《五月槐花香》。
2002年，在张卫健、严宽、苏有朋主演的古装喜剧《少年张三丰》中饰演澄空大师；同年，联合斯琴高娃、李芯逸主演家庭情感剧《众里寻她千百度》，在剧中饰演林海涛。
2003年，参演苏有朋、贾静雯主演的金庸武侠剧《倚天屠龙记》，在剧中饰演“光明左使”杨逍；同年，搭档吴奇隆、范冰冰主演武侠剧《名捕震关东》，在剧中饰演皇上；同年，参演焦恩俊、胡静主演的古装神话剧《十八罗汉》，在剧中饰演老方丈。
2004年，搭档李立群、李诚儒主演古玩题材剧《人生几度秋凉》，在剧中饰演清室后裔富嗣隆，并演唱片尾曲；同年，在吴京、袁咏仪、淳于珊珊主演的动作剧《南少林三十六房》中饰演雍正；同年，在徐峥、张庭、汪芫主演的清朝喜剧《满汉全席》中饰演康熙。
2006年，联合孙兴、曹颖主演古装喜剧《铁将军阿贵》，在剧中饰演乾隆；同年，在保剑锋、金巧巧主演的古装励志剧《薛仁贵传奇》中饰李道宗；同年，参与霍建华、孙俪主演的偶像剧《屋顶上的绿宝石》。
2007年，参演唐国强、聂远主演的历史剧《贞观长歌》，在剧中饰演镇守要塞泾州的隐太子建成死党罗艺；同年，与斯琴高娃、温峥嵘主演历史古装剧《无字碑歌》，在剧中饰演唐高宗李治；同年，与吕丽萍共同主演情感剧《非常夫妻》；同年，在范冰冰、赵文瑄主演的古装剧《大唐芙蓉园》中饰演李白。
2009年，联合郭富城、郝蕾主演清朝剧情电影《白银帝国》，在片中饰演康家主人康老太爷。
2010年，搭档唐国强、刘劲、郑卫莉主演人物传记题材剧《黄炎培》，在剧中饰演中国近现代爱国主义者和民主主义教育家黄炎培。
2011年，参演鞠觉亮执导的历史古装剧《新水浒传》，在剧中饰演放走“伏魔之殿”内镇压的一百单八天罡地煞魔星的洪太尉；同年，在唐国强、蒋勤勤主演的历史剧《中国1945之重庆风云》中再次饰演黄炎培；同年，参与胡歌、陈意涵主演的青春励志时尚剧《摩登新人类》，在剧中饰演谢非凡的父亲谢雷震；同年，参与陈坤、张雨绮主演的电影《钱学森》，在片中饰演毛泽东。
2012年，在苗圃、罗晋主演的历史传奇古装剧《穆桂英挂帅》中饰演宋真宗；同年，与王志文、霍建华主演医疗题材剧《感动生命》；同年，主演革命史诗历史剧《红军东征》，在剧中饰演毛泽东；同年，与曹曦文、马跃主演古装剧《黄梅戏宗师传奇》，在剧中饰演乾隆。
2013年，参与廖京生、高云翔主演的抗战剧《刀影》，在剧中饰演国军师参谋彭振山。
2014年，担纲历史剧《文房四宝》的总导演并领衔主演，该剧是以“中国文房四宝之乡”—安徽宣城和“徽文化”、“徽商”为背景。
2016年10月，做客北京卫视书画鉴赏文化节目《我爱书画》。
2017年1月，参加在京举行的优秀华语网络影视作品推介会；同年，参加高能达人秀节目《我爱二次元》；6月，原创街头互动挑战脱口秀节目《真星话大冒险》。
2018年2月，参加湖南卫视声音魅力竞演秀《声临其境》。
2019年10月，出演的电影《小山河》杀青。
2021年4月份，宣布加盟综艺节目《我是女演员》；参加真人秀《萌探探探案》。2022年4月10日，主演的电视剧《老家伙》宣布开机。
2022年8月5日至6日，由张铁林、张国立、王刚、主演的话剧《断金》在厦门闽南大戏院上演，这也是初代影视荧幕男团“铁三角”多年后在舞台的重聚。
