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“代养父”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12日,参演的电视剧《理想之城》播出,饰演助理许峰。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;2月25日,参加的暖情互动挑战类棚内综艺节目《王牌对王牌第七季》播出;4月6日,参演的古装历史剧《山河月明》播出;4月18日,主演的古装偶像情感剧《且试天下》播出,在剧中饰演雍州王庶长子丰苌;6月14日,友情出演的古装剧《与凤行》开机;7月5日,出演的《星汉灿烂》定档腾讯视频;7月20日,参演网剧《一念关山》;7月20日,参演的古装爱情仙侠剧《沉香如屑》播出。
2023年3月20日,友情出演的电视剧《人生之路》播出;4月1日,参演的电视剧《灿烂的转身》播出。