2006年12月24日，主演由兰小龙编剧，康洪雷执导的军事励志题材电视剧《士兵突击》首播，张译在剧中饰演出身农家、本分却要强班长史今，该剧是张译出演的第一部电视剧作品。

2009年，主演由马小钢执导的爱情喜剧《三七撞上二十一》，张译在剧中饰演善良、风趣、机智、执着的小片警乔锐 ；同年3月，再次与兰小龙编编剧和康洪雷导演合作，主演根据中国各地军民联合抗击日本侵略者历史改编的抗战剧《我的团长我的团》，在剧中饰演知识分子家庭出身，但总爱用损毒的语言的孟烦了，张译凭借该角色获得2009中国电视榜“最深入人心电视形象”的荣誉；9月，张译三度与兰小龙合作，出演孔笙执导的抗战剧《生死线》，在剧中饰演在欧洲长大、有着美国国籍却心系祖国的原子物理学博士何莫修。

2010年11月，主演由裘建滨执导现代爱情题材电视剧《兵团岁月》，在剧中饰演开朗热情、投东北兵团的小提琴天才乔海洋；同年6月，主演由沈雷执导的谍战剧《枪声背后》，在剧中饰演的高青山表面上是个军人，实际上却是一个敌特分子。

2011年1月，再次与孔笙导演合作，主演高满堂编剧的年代历史题材电视剧《钢铁年代》首播，在剧中饰演来自来自上海的工程师边立明；同年5月，主演的年代情感剧《雪花那个飘》首播；6月15日，参与拍摄的为庆祝中国共产党建党九十周年而制作的献礼影片《建党伟业》全国首映；12月，主演的都市家庭情感剧《新上门女婿》播出，张译在剧中饰演倒插门女婿田冲。

2012年1月，主演的都市情感剧《北京爱情故事》首播，张译在剧中饰演读完大学后留京打拼的农村穷小子石小猛；同年4月23日，与黄晓明、张歆艺共同主演的年代传奇电影《匹夫》全国首映，张译在影片中饰演打入匪帮内部的高栋梁；4月25日，与王珞丹共同主演的母亲节题材电影《老人愿》全国上映；7月6日，参演由陈凯歌执导的剧情片《搜索》全国首映；11月，主演的年代温商励志剧《温州一家人》。

2013年1月，参演儿童依据电影《愤怒的小孩》；同年2月10日，参演由小马奔腾影业和八一电影制片厂联合出品的贺岁喜剧电影《越来越好之村晚》全国上映；9月，与海清共同主演都市情感剧《抹布女也有春天》；随后，与孙俪共同主演，沈严执导的当代都市婚姻爱情剧《辣妈正传》。

2014年3月，张译同陈乔恩、蔡明主演都市家庭轻喜剧《嫁个老公过日子》 ；9月26日，由陈可辛执导的打拐题材电影《亲爱的》全国上映，张译凭借饰演的韩德忠一角获得第30届中国电影金鸡奖最佳男配角奖，同年该片于威尼斯电影节展映，张译作为主演之一亮相电影节红毯 ；10月，参演民国爱情电影《黄金时代》。

2015年3月，由张译主演的都市轻喜剧《好男儿之情感护理》在中央电视台影视剧频道首播。同年，出演由六六编剧，余淳执导都市女性励志剧《女不强大天不容》；同月，主演由导演杜军执导的当代生活轻喜剧《好男儿之情感护理》；同年5月20日，《山河故人》作为第68届戛纳电影节主竞赛单元影片全球首映，张译作为主演出席当日首映红毯和新闻发布会；10月，主演由何平导演执导的剧情片《回到被爱的每一天》，

在影片中饰演在北京生活的曲棍球教练姜和；同年，首次参与动画配音工作，为动画电影《小王子》献声。

2016年，主演由路阳执导、宁浩监制的动作片《绣春刀·修罗战场》，饰演锦衣卫千户陆文昭，是张译首次以古装造型亮相大荧幕；6月19日，电影《追凶者也》入围第十九届上海国际电影节主竞赛单元，张译作为主演与导演曹保平，主演刘烨等一同踏上上海电影节节红毯，该片荣获2016微博电影之夜最受期待悬念新作奖；9月14日，黑色幽默悬疑片《追凶者也》全国上映；26日，主演由兰小龙编剧，简川訸执导的战争剧《好家伙》播出，张译在剧中饰演有着中共地下党“种子”、屠先生通缉的刺客“红先生”和沪宁商会副会芦之苇的二公子芦焱这三重身份的角色；同年11月18日，主演由冯小刚导演的电影《我不是潘金莲》首映；同年12月，主演杨树鹏执导的青春罪案电影《少年》。

2017年1月1日，主演的都市情感剧《守护丽人》在东方卫视及深圳卫视首播；3月，主演的都市商业剧《鸡毛飞上天》在浙江卫视、江苏卫视首播,张译凭借该剧获得第23届上海电视节白玉兰奖最佳男主角奖；6月，与张国立、李建义等人合作主演都市亲情剧《我的亲爹和后爸》 9日，主演由管虎导演的战争史诗电影《八佰》；12月29日，主演的喜剧片《妖铃铃》在中国内地上映。

2018年2月16日，主演中国首部现代化海军题材电影《红海行动》全国上映，以36亿的票房成绩，荣登2018春节档票房第一名，位列中国华语影史票房亚军（截止2018年）。4月12日，参与出演由贾樟柯导演的电影《江湖儿女》入围第71届戛纳国际电影节主竞赛单元；9月24日，主演硬汉追凶题材网络剧《重生》开机。10月14日，获得第12届中国金鹰电视艺术节、第29届中国电视金鹰奖观众喜爱男演员奖。

2019年1月17日，担任男主的剧情电影《一秒钟》入围第69届柏林国际电影节主竞赛单元，张译为了更好的塑造该片中的人物形象剃了光头，减重至110斤左右；30日，主演的家庭伦理剧《我的亲爹和后爸》在东方卫视首播；9月30日，主演的电影《我和我的祖国》 上映。同年，与吴京、章子怡、井柏然、胡歌、成龙合作出演珠峰题材电影《攀登者》。10月13日，主演的电视剧《光荣时代》播出。