2003年，张一山被《小兵张嘎》里的徐耿挑中，出演剧中的佟乐乐一角，虽然12岁的张一山在剧中的戏分并不多，但是这是他的首部电视剧作品。
2004年，由《小兵张嘎》中饰演“乐乐爸爸”的演员李迎旗推荐，张一山参加少儿题材的情景喜剧《家有儿女》的试镜，并成功获得饰演刘星这一角色的机会；同年，出演由黄海刚、杜信执导的都市爱情剧《谁为爱情买单》，在剧中饰演了一个“混世小魔王”，男主角大哥的儿子孔析析。
2005年，再次与高亚麟、宋丹丹、杨紫、尤浩然等人合作，继续出演少儿题材的情景喜剧《家有儿女》的续作《家有儿女2》。
2006年，继续主演《家有儿女》系列的第三部；同年，出演由宋业明、黄港执导的历史题材清装剧《船政风云》，饰演小苏阿哥。
2007年，出演《家有儿女4》继续饰演刘星一角，至此家有儿女系列四部作品完结；同年，出演由尚敬执导的情景喜剧《妙想天开》，饰演阿甘一角；同年，在《生于80后》之中饰演了一个十七岁的少年刘刀。因为父亲去世，不得不由父亲的小妻子安雯充当他的监护人，两个人互相看不顺眼，却意外地在磕磕绊绊之中酝酿出了亲情。
2008年，出演由林浩然执导的少年励志电影电影《扣篮对决》，在影片中饰演篮球队队员猴子，该片是张一山拍摄的首部电影作品。
2009年，与成龙共同主演儿童电影《寻找成龙》，张一山饰演了一个因喜爱武术而去寻找成龙学功夫的少年，该片所有武打戏份张一山均亲自完成，没有用替身；同年，与《家有儿女》原班人马共同出演儿童剧《不想长大》。
2010年，客串情景喜剧《圆圆的故事》；同年11月，文隽、叶伟民执导的功夫片《李小龙我的兄弟》上映，张一山在剧中饰演刘连光一角。
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