2005年，再次與高亞麟、宋丹丹、楊紫、尤浩然等人合作，繼續出演少兒題材的情景喜劇《家有兒女》的續作《家有兒女2》。
2006年，繼續主演《家有兒女》系列的第三部；同年，出演由宋業明、黃港執導的歷史題材清裝劇《船政風雲》，飾演小蘇阿哥 。
2007年，出演《家有兒女4》繼續飾演劉星一角，至此家有兒女系列四部作品完結 ；同年，出演由尚敬執導的情景喜劇《妙想天開》，飾演阿甘一角；同年，在《生於80後》之中飾演了一個十七歲的少年劉刀。因為父親去世，不得不由父親的小妻子安雯充當他的監護人，兩個人互相看不順眼，卻意外地在磕磕絆絆之中醞釀出了親情 。
2008年，出演由林浩然執導的少年勵志電影電影《扣籃對決》，在影片中飾演籃球隊隊員猴子，該片是張一山拍攝的首部電影作品 。
2009年，與成龍共同主演兒童電影《尋找成龍》 ，張一山飾演了一個因喜愛武術而去尋找成龍學功夫的少年，該片所有武打戲份張一山均親自完成，沒有用替身；同年，與《家有兒女》原班人馬共同出演兒童劇《不想長大》 。
2010年，客串情景喜劇《圓圓的故事》；同年11月，文雋、葉偉民執導的功夫片《李小龍我的兄弟》上映，張一山在劇中飾演劉連光一角 。
2011年7月，參加東方衛視綜藝節目《舞林大會》，並在10月9日的決賽中獲得冠軍；同年9月，在為慶祝中國共產黨建黨九十周年而制的歷史題材影片《建黨偉業》中飾演中國共產黨的創始人之一的鄧恩銘 ；同年，參演災難劇情片《南方大冰雪》飾演楊華華一角；同年與蔣小涵合作，出演劇情片《籃球公園》 。
2012年6月，再度與楊紫合作，在電視劇《老爸回家》中飾演高賀；同年7月，出演首部時裝劇《星光都市2》，在劇中飾演有夢想又有藝術氣質的周浩；同年11月，參演講述80後父母輩愛情故事的電視劇《最愛·你》 ；同年，參演都市愛情電影《三個未婚媽媽》；隨後出演戰爭題材兒童劇《小小飛虎隊》，該劇講述了抗日戰爭時期小小飛虎隊的故事 。
2013年，客串出演電視劇版《失戀33天》；同年，主演由魏永剛執導的戰爭、勵志、輕喜劇《大號小兵》 。
2014年，在都市家庭輕喜劇《食來孕轉》中飾5演馬瑞一角 ；同年，在軍旅題材電視劇《大熔爐》中飾演雖然外表痞氣，但內心真誠重情義、充滿正義感的小士兵徐小斌 ；同年7月，參演青春勵誌喜劇電影《黃金福將》；10月，在電影《奪路而逃》中飾演男主角周曉易 。
2015年1月，參演的抗日題材電視劇《殺寇決》在吉林衛視播出 ，張一山飾演男主角陸子錚 ；同年4月12日，加盟CCTV6青春益智真人秀《校花與學神》，並擔任導師 ；11月，在網友投票評選出的“中國90後10大影響力人物”中，張一山排名第五 ；同年12月22日，與歌手丁丁共同主演的懸疑電影《隔離島》正式殺青 。
2016年，主演電視連續劇《我的父親我的兵》 ；同年5月，主演的刑偵題材網劇《餘罪》網絡首播，張一山在劇中飾演一名剛從警校畢業就進入販毒團伙中的卧底警察餘罪，該劇播出半個月網絡點擊率超過4.5億，並獲得良好口碑 ；同年6月，主演古裝青春偶像劇《《重耳傳奇》》飾演夷吾 ；隨後，主演的農村題材劇《青穀子》播出，張一山在劇中飾演焦大樓一角 ；12月9日，主演的懸疑驚悚電影《凄靈室》全國上映 。
2017年1月，張一山攜手成龍、楊紫共同演唱喜劇電影《功夫瑜伽》的同名主題曲《功夫瑜伽》 ；2月12日，加盟浙江衛視《高能少年團》，首次擔任常駐嘉賓並擔任高能隊長 ；2月17日，主演懸疑愛情劇《柒個我》，在劇中飾演擁有着多重人格的集團繼承人沈亦臻；7月16日，主演的都市劇《大叔與少年》開機 。
2018年，張一山以戰隊經理人的身份參加了機器人格鬥真人秀《這！就是鐵甲》 ；4月30日，央視五四晚會錄製，張一山榮獲2018年度“五月的鮮花”優秀青年演員稱號 ；5月，獻唱“五四青年節”特別歌曲《強國一代有我在》，並參演MV 。5月29日，主演情景喜劇《家有兒女初長成》播出，在劇中飾演江北，時隔多年後再次與《家有兒女》原班人馬再度合作 。
2019年3月2日，張一山、潘粵明聯袂出演諜戰劇《局中人》殺青 ；12日，主演的古裝電視劇《重耳傳奇》在浙江衛視中國藍周播劇場首播 。8月1日出演大歷史革命題材電影《古田軍號》
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