1991年，张嘉益大学毕业，被分配回老家，进入西安电影制片厂，陆续在多部电影里担任配角。1995年，张嘉益与胡亚捷合作主演电视剧《道北人》，开始担任主角；1997年，搭档陈小艺、王大治主演家庭剧《老房子》；1999年，与邵兵、娟子等主演青春励志剧《毕业生》。2001年，在电视剧《帕米尔医生》中饰演支边医生吴天云。

    2002年，为了开拓自己的事业，张嘉益将家搬到了北京。2004年，主演的军事题材剧《国家使命》在央视播出，饰演北方大学研究生宋朝。2006年11月，搭档孙红雷、陈小艺主演都市生活剧《半路夫妻》，饰演有点儿窝囊的乘警江建平。

    2007年，领衔主演纪实刑侦剧《国家形象》，饰演公安部门五人重案组负责人赵刚。

    2009年11月，张嘉益与海清、文章主演的伦理剧《蜗居》在东方卫视播出，饰演多金、英俊、有才华的出轨男“宋思明”。2010年，搭档柳云龙主演谍战悬疑剧《告密者》，饰演反派杜盛奎。

    2011年2月，张嘉益与邓超合作主演电视剧《你是我兄弟》，扮演谦厚老实的大哥马学武；3月，担纲男一号的谍战剧《借枪》播出，扮演窘迫特工“熊阔海”，凭借该剧夺得第十七届上海电视节白玉兰最佳男演员奖；4月，出演抗战剧《双枪李向阳之再战松井》，饰演李向阳；6月，参演电影《建党伟业》，饰演李大钊。

    2012年1月，主演的谍战剧《悬崖》登陆东方卫视、黑龙江卫视和天津卫视播出，张嘉益饰演周乙，与咏梅扮演一对“潜伏”的真实夫妻，张嘉益除了出演男主角，还担任艺术总监；5月，与吴秀波、海清合作的医疗题材电视剧《心术》在安徽卫视、天津卫视、东方卫视、浙江卫视联合播出，张嘉益在剧中饰演医生刘晨曦；9月，参演的公安题材电视剧《营盘镇警事》播出，出演基层派出所所长范党育，凭借该剧获得第27届中国电视金鹰奖“观众喜爱男演员奖”以及“最具人气男演员奖”，以及第15届中国电影华表奖和第29届中国电视剧飞天奖颁奖典礼的“优秀男演员”奖。

    2013年，张嘉益与吴秀波合作出演伦理剧《结婚的秘密》，饰演海归高富帅关浩天。

    2014年3月，搭档闫妮、江疏影等主演的都市情感剧《一仆二主》在陕西、东方、深圳、山东卫视黄金档播出，张嘉益饰演安分守己的中年大叔“杨树”。5月，与刘涛、聂远等合作主演的电视剧《花红花火》播出。8月，在历史剧《历史转折中的 》中饰演 。9月23日，主演的跨年代情感剧《爷们儿》登陆四川、安徽、陕西和天津卫视黄金档，张嘉益在剧中饰演空军机械师李国生。

    2015年，领衔主演史诗剧《白鹿原》并担任艺术总监，扮演白鹿原上的灵魂人物白嘉轩；同年，在电视剧《花开如梦》中饰演的上海滩娱乐大亨孟雨农。2016年10月，主演的行业医疗剧《急诊科医生》播出。

    2017年，与张一山合作主演的都市剧《大叔与少年》播出，饰演刑满出狱的60后男人杨金刚；11月，主演的都市轻喜剧《我的！体育老师》登陆浙江卫视中国蓝剧场，张嘉益在剧中饰演体育老师马克。

    2018年2月28日，参演的都市家庭剧《美好生活》登陆东方卫视、北京卫视播出。2019年6月，领衔主演的都市家庭剧《少年派》登陆湖南卫视金鹰独播剧场播出；11月，出演的卫国战争电视剧《河山》播出。

    2020年6月，主演抗疫题材电视剧《在一起》；7月，参演的脱贫攻坚剧《闽宁镇》在宁夏开机，饰演马喊水。