2003年 出演了都市罪案剧《爱的代价》。
2004年 应南方电视台的要求，张颂文临时为广东本土情景喜剧《乘龙怪婿》成立了“表演速成班”，这是他首次担任表演指导。
2005年 出演《乘龙怪婿》男一号贾发，从而正式出道。
2006年 出演古装人物剧《北魏冯太后》，在剧中饰演北魏时期的宦官首领王遇。
2007年 因出演悬疑剧《第二面》而受到关注，同年出演古装动作剧《霍元甲》，在剧中饰演霍元甲一生中最重要的挚友——精神领袖农劲荪。
2008年 张颂文离开北京电影学院，成立了“张颂文国际表演工作室”，致力于影视表演技巧及方法派表演的研究，同年出演张纪中执导的古装剧《兵圣》。
2009年 出演了古装剧《杨贵妃秘史》，在剧中饰演奸相杨国忠。12月，张颂文将工作重心转移到大银幕。
2010年 张颂文出演刘伟强执导的动作电影《精武风云》，在片中饰演文仔这一角色；10月，张颂文担任宁浩与小马奔腾公司合办的演员培训班的表演指导。
2011年 张颂文主演刘伟强、钱文锜执导的爱情电影《不再让你孤单》。同年，与徐峥、张子枫合作主演了喜剧电影《摩登年代》，担任电影《幸福额度》的表演指导，后与导演陈正道等一起受邀参与录制《鲁豫有约》节目。
2012年 5月，张颂文主演宁浩执导的动作喜剧电影《黄金大劫案》。7月，与周润发、吴镇宇、黄晓明等人合作出演了年代历史爱情电影《大上海》。8月，主演邱礼涛执导的动作电影《叶问终极一战》。
2013年 担任孔二狗导演处女作电影《大嘴巴子》的表演指导。
2014年 张颂文与陈赫、姚星彤、常远等人合作主演了青春喜剧电影《一路向前》。同年，与孙坚、白冰、潘霜霜等人合作主演悬疑喜剧电影《谎言大爆炸》。12月，还主演了侦探喜剧爱情电影《神探驾到》。
2015年 张颂文参演常征执导的科幻悬疑微电影《沉默基因》。同年，参演了青春情感电影《选择游戏》。
2016年 主演悬疑片《风中有朵雨做的云》，凭借片中“唐奕杰”一角获得第11届青年电影手册年度男配角奖。
2017年 主演的剧情片《西小河的夏天》入围第22届釜山国际电影节“新浪潮”单元，并获得KNN观众奖。
2018年 主演了谍战片《兰心大剧院》。
2019年 出演犯罪片《第八个嫌疑人》。5月4日，受邀出席第十三届FIRST青年电影展在京举办启动仪式，并担任训练营表演顾问。6月，出演了犯罪剧情电影《第八个嫌疑人》。11月1日，主演励志电影《不止不休》。
2020年 张颂文领衔主演了励志电影《老郑飞到天上去了》。主演的家庭悬疑剧《隐秘的角落》上线 ；同年，主演犯罪动作电影《扫黑·决战》。10月19日，主演了革命历史电影《1921》。12月8日，加盟浙江卫视综艺节目《我就是演员》并担任表演指导。
2022年 主演的现实主义情感剧《心居》播出；同年，凭借历史片《革命者》中“李大钊”一角获得电影频道传媒荣誉之夜最受传媒关注男主角奖。
2023年 1月14日，领衔主演的反黑刑侦剧《狂飙》播出，在剧中饰演一个从卑微渺小的底层鱼贩变成了涉黑组织的头目高启强。4月8日，担任第13届北京国际电影节“天坛奖”国际委员会委员。
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