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，参演电视剧《岁月骄阳》。
2012年7月，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，在两部剧中分别饰演承毅和段元斌；12月，在袁姗姗、刘恺威、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，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，在剧中饰演亦正亦邪的计无施；同年，还参演历史剧《红流》和网络剧《我为宫狂》。
2014年4月，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，搭档Angelababy出演古装大剧《大汉情缘之云中歌》；同年，与陈晓、陈妍希共同主演武侠剧《神雕侠侣》。
2015年6月，参演古龙武侠巨制《新边城浪子》，在剧中饰演男主角傅红雪的“父亲”白天羽；12月，清装传奇巨制《苏茉儿传奇》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，在剧中饰演武林六君子之一、连城璧的好友朱白水；3月，参演电影《喜乐长安》，并亮相在京举行的首映发布会。
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》，在剧中饰演吴泽；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》，在剧中饰演魏明帝曹叡的内侍辟邪。
2018年，出演秦俊杰、袁冰妍领衔主演的电视剧《听雪楼》，在剧中饰演南楚。
2019年，，参加录制国内首档导演选角真人秀《演员请就位》；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》。
2020年，参演古装武侠剧《雪中悍刀行》，在剧中饰演吕钱塘； 11月15日，主演的电视剧《鹿鼎记》开播。
2021年8月14日，出演由于荣光执导，杨祐宁、白澍领衔主演的电视剧《天龙八部》开播，在剧中饰演虚竹；10月25日，与孙骁骁、路宏合作主演的古装爱情神话剧《新白蛇传》播出；
2022年2月7日，主演的贺岁轻喜剧《假日暖洋洋2》播出；4月18日，主演的古装偶像情感剧《且试天下》播出。