1983年，张涵予成为专业配音演员，先后为《特洛伊》、《米老鼠唐老鸭》、《沉默的羔羊》、《拯救大兵瑞恩》、《指环王》等电影配音。

1999年，在好友傅彪介绍下，张涵予出演叶京导演的电视剧《梦开始的地方》，与陶虹合作，这是他的首部电视剧。2000年，参演冯小刚电影《没完没了》，饰演一个帮傅彪讨账的社会人，这是他出演的首部电影作品；2002年，在冯小刚电影《大腕》中，客串扮演精神病院里的IT专家。2004年，参演《天下无贼》，扮演一个化装成“E时代画家”的卧底干警。

2007年，张涵予在贺岁档电影《集结号》中首次担任男主角，创下2.6亿的票房纪录，张涵予也凭借此片于

 2008年获得第29届大众电影百花奖、第45届金马奖“最佳男主角”奖。

2009年3月，获得第二届第二届华鼎中国影视最佳表现男演员奖；9月，主演电影《风声》，与李冰冰、周迅两位美女有大量对手戏。

2011年，参演李仁港电影《鸿门宴传奇》，首次出演武打戏饰演张良；8月，在《新水浒传》中饰演宋江。

2013年3月，零片酬出演管虎执导的电影《厨子·戏子·痞子》，张涵予饰演的“戏子”表现“疯癫异常”，既鬼马又毒舌，一段骂小日本的个人预告是让人跌破眼镜；6月，加盟《火线三兄弟》，饰演骁勇善战的“田大林”；11月，主演电影《我爱的是你爱我》，与王珞丹在片中出演相差18岁的“忘年恋”；同年，与曾志伟、陈可辛、宁静、海清担任重庆卫视《奇迹梦工厂》的导师。

2014年12月23日，其主演的电影《智取威虎山》在全国各大院线上映。张涵予在这部电影中饰演“杨子荣”一角。

2015年，加盟张艺谋执导好莱坞魔幻电影《长城》。9月，张涵予、彭于晏、冯文娟主演的警匪动作大片《湄公河行动》在曼谷正式开机。

2016年，6月加盟吴宇森执导的重拍版《追捕》。为史诗动作冒险影片《奇幻森林》中文版主角黑豹巴希拉配音。9月30日，主演的警匪动作片《湄公河行动》上映，蝉联单日票房及上座率冠军，被网友称作“国庆档最强势影片”。

2017年，联袂福山雅治主演吴宇森执导的电影《追捕》，饰演杜秋。2017年5月主演电影《抢红》5月19日全国上映。

2018年6月，参与录制海天《熟悉的味道3》。主演电影《中国机长》，取材川航备降事件。

2018年12月29日，中国电影家协会第十届理事会第一次会议在京召开，张涵予当选中国电影家协会副主席。

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