2003年，張一山被《小兵張嘎》裡的徐耿挑中，出演劇中的佟樂樂一角，雖然12歲的張一山在劇中的戲分並不多，但是這是他的首部電視劇作品。
2004年，由《小兵張嘎》中飾演“樂樂爸爸”的演員李迎旗推薦，張一山參加少兒題材的情景喜劇《家有兒女》的試鏡，併成功獲得飾演劉星這一角色的機會；同年，出演由黃海剛、杜信執導的都市愛情劇《誰為愛情買單》，在劇中飾演了一個“混世小魔王”，男主角大哥的兒子孔析析。
2005年，再次與高亞麟、宋丹丹、楊紫、尤浩然等人合作，繼續出演少兒題材的情景喜劇《家有兒女》的續作《家有兒女2》。
2006年，繼續主演《家有兒女》系列的第三部；同年，出演由宋業明、黃港執導的歷史題材清裝劇《船政風雲》，飾演小蘇阿哥。
2007年，出演《家有兒女4》繼續飾演劉星一角，至此家有兒女系列四部作品完結；同年，出演由尚敬執導的情景喜劇《妙想天開》，飾演阿甘一角；同年，在《生於80後》之中飾演了一個十七歲的少年劉刀。因為父親去世，不得不由父親的小妻子安雯充當他的監護人，兩個人互相看不順眼，卻意外地在磕磕絆絆之中醞釀出了親情。
2008年，出演由林浩然執導的少年勵志電影電影《扣籃對決》，在影片中飾演籃球隊隊員猴子，該片是張一山拍攝的首部電影作品。
2009年，與成龍共同主演兒童電影《尋找成龍》，張一山飾演了一個因喜愛武術而去尋找成龍學功夫的少年，該片所有武打戲份張一山均親自完成，沒有用替身；同年，與《家有兒女》原班人馬共同出演兒童劇《不想長大》。
2010年，客串情景喜劇《圓圓的故事》；同年11月，文雋、葉偉民執導的功夫片《李小龍我的兄弟》上映，張一山在劇中飾演劉連光一角。
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