2009年还在中央戏剧学院读大二的张天阳就出演首部电影作品《庭院重重》，在片中饰演钱日成；在校期间还参演了《黄金时代》、《夜莺之爱》等话剧。
2011年张天阳参演首部电视剧《开天辟地》，在剧中饰演英俊潇洒年轻时期的刘少奇，从而进入娱乐圈；同年还参演电视剧《岁月骄阳》。
2012年7月张天阳与何晟铭、李晟等主演的清宫剧《倾城绝恋》以及与郑国霖主演的民国传奇剧《飘摇人生》先后播出，张天阳分别饰演承毅和段元斌；12月份张天阳在袁姗姗、蔡少芬主演的古装剧《美人无泪》中饰演痴情专一的多铎。
2013年2月张天阳与霍建华、陈乔恩等主演的武侠剧《笑傲江湖》在湖南卫视播出并获得同时段收视冠军，在剧中张天阳饰演亦正亦邪的计无施；同年张天阳还参演了历史剧《红流》和网络剧《我为宫狂》。
2014年4月张天阳与袁姗姗、陆毅等主演的古装剧《宫锁连城》以及与唐嫣、霍建华主演的《金玉良缘》分别在湖南卫视和江苏卫视首播；此外张天阳搭档Angelababy出演古装大片《大汉情缘之云中歌》和，陈妍希、陈晓主演的武侠翻拍剧《神雕侠侣》。
2015年6月参演古龙武侠巨制《边城浪子》，饰演白天羽；12月清装传奇巨制《大清江山之龙胆花》杀青，张天阳挑战“多铎”一角。
2016年，1月拍摄电视剧《锦绣未央》。2月古龙经典武侠电视剧《新萧十一郎》播出，张天阳饰演朱白水。3月电影《喜乐长安》在京举行首映发布会，张天阳亮相。2017年3月，与孙骁骁，路宏合作主演古装爱情神话剧《白蛇传》。
2017年，出演由丁黑执导，孙俪、陈晓领衔主演的电视剧《那年花开月正圆》，饰演吴泽。同年，出演由张永新执导，吴秀波、李晨等主演的电视剧《虎啸龙吟》，饰演魏明帝曹叡的内侍辟邪。
2018年，出演秦俊杰领衔主演的电视剧《听雪楼》，饰演南楚。
2019年，出演由于荣光执导，杨佑宁领衔主演的电视剧《天龙八部》，饰演虚竹。11月17日，出演由刘国辉、赵立军执导的谍战剧《迷局破之深潜》。
在电视剧《美人无泪》里，张天阳饰演的多铎对小玉儿一见倾心，即使最后不能走在一起也没有停止对她的爱，总是在暗中给小玉儿很多的帮助，十足痴情种。而在另一部民国剧《倾城绝恋》里，张天阳再度扮演起痴情男的形象。他扮演的承毅对梓晴一往情深，即使爱人逝去他也依然深爱无转移，令人动容。虽然长了一部偶像剧男主角的脸，但很会演戏，尤其是痴情的角色，特别深入人心，尤其是他为了爱人哭泣的时候，那份深情让观众没法不跟着落泪”。