1992年5月5日，张一山出生在北京市西城区，成长于胡同里的一个普通家庭。5岁时，父母将他送去武术学校学习武术。除此之外，张一山还学习了两年滑旱冰。

10岁时，张一山在武术课结束时，受同学怂恿，表演了一套猴拳，活灵活现像一只“小猴子”。儿童中心朗诵班的老师因此注意上了张一山，并为他报名了朗诵班，这是张一山进入娱乐圈的一个契机。

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，12岁的张一山在剧中的表演给观众留下了深刻的印象。

2004年，《小兵张嘎》中饰演“乐乐爸爸”的演员李迎旗把张一山推荐给了《家有儿女》的副导演，张一山成功获得饰演角色刘星。

2005年，张一山继续出演《家有儿女2》，与高亚麟、宋丹丹、杨紫、尤浩然等人合作。

2006年，张一山与高亚麟、宋丹丹、宁丹琳、尤浩然搭档主演《家有儿女3》。

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，张一山拍摄了首部电影作品——《扣篮对决》，在剧中饰演篮球队员猴子一角。同年，《新周刊》为张一山颁布了最深入人心的电视形象奖，后出席福布斯中国名人榜慈善盛典，并获得了最具潜力奖。

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。

2011年7月，参加东方卫视综艺节目《舞林大会》，并在10月9日的决赛中获得冠军；同年9月，在为庆祝中国共产党建党九十周年而制的历史题材影片《建党伟业》中饰演中国共产党的创始人之一的邓恩铭；同年，参演灾难剧情片《南方大冰雪》饰演杨华华一角；同年与蒋小涵合作，出演剧情片《篮球公园》。

2012年6月，再度与杨紫合作，在电视剧《老爸回家》中饰演高贺；同年7月，出演首部时装剧《星光都市2》，在剧中饰演有梦想又有艺术气质的周浩；同年11月，参演讲述80后父母辈爱情故事的电视剧《最爱·你》；同年，参演都市爱情电影《三个未婚妈妈》；随后出演战争题材儿童剧《小小飞虎队》，该剧讲述了抗日战争时期小小飞虎队的故事。

2013年，客串出演电视剧版《失恋33天》；同年，主演由魏永刚执导的战争、励志、轻喜剧《大号小兵》。

2014年，张一山参演电视剧《食来孕转》，饰演马瑞；张一山在《老爸回家》中饰演高贺，与刘威、杨紫合作。

2015年1月，参演的抗日题材电视剧《杀寇决》在吉林卫视播出，张一山饰演男主角陆子铮。4月12日，加盟CCTV6青春益智真人秀《校花与学神》，并担任导师。11月，在网友投票评选出的“中国90后10大影响力人物”中，张一山排名第五。同年12月22日，与歌手丁丁共同主演的悬疑电影《毕业作品》正式杀青。

2016年，张一山的事业又达到了一个新的高潮，5月23日，其主演的刑侦题材网剧《余罪》在爱奇艺首次播出，该片首集播出后“72小时破1亿”、阅读量高达1.6亿，在收视和口碑上赢得双丰收，收获大量热度并给观众留下了深刻的印象。同时在微博上扩大了粉丝群体，紧接着《余罪》第二季上线，两季单日播放量均突破1亿，合计点击量接近10亿，豆瓣评分持续8.6以上。他也因此剧获得了爱奇艺尖叫之夜的“年度飞跃演员奖”和搜狐时尚盛典的“年度网络剧男明星”奖。2016年底，悬疑惊悚电影《凄灵室》上映，这是张一山首部大银幕惊悚作品，他因与导演导演刘殊巧是多年的朋友，因此接下该戏。随后张一山出席2016微博之夜，并获“年度人气艺人”奖。

2017年6月8日，张一山主演的文艺爱情电影《一纸婚约》上映，他在剧中饰演李超，后凭借此剧获第9届澳门国际电影节最佳男配角。7月21日，张一山和周冬雨合作主演的电视剧《春风十里，不如你》在优酷网首播，他们也一起演唱了该剧的片头曲《如果我爱你》并录制了MV，这部剧全网播放量高达50亿，他也因此入选“最美表演”的年度优秀演员。12月11日，张一山以常驻嘉宾和高能队长的身份参加浙江卫视真人秀《高能少年团》的录制。同月13日，张一山主演的悬疑爱情剧《柒个我》在腾讯视频播出，他在剧中饰演因为某段缺失的童年记忆而患上多重人格障碍，共拥有七重人格的沈亦臻，张一山认为自己在该剧中的表演十分过瘾。后他凭借《柒个我》成功进入第24届华鼎奖中国当代题材电视剧最佳男演员奖入围名单。

2018年4月中旬，张一山发布了自己的首部也是唯一一部写真《山外有山》，表示是将最真实的自我呈现给支持他的影迷们。随后的五四青年节，张一山和众多知名艺人共同演唱的歌曲《强国一代有我在》和它的MV在各大平台上线，上线两天，播放量达3582万次。他也因此在央视五四晚会上荣获2018年度“五月的鲜花”优秀青年演员称号。紧接5月底，张一山主演的情景喜剧《家有儿女初长成》在东方卫视首播，并在爱奇艺同步播出，在第二周该剧网络播放量就突破1亿。

2019年2月19日，参加2019央视元宵晚会，表演相声《新咱也试一把》。3月12日，参演的电视剧《重耳传奇》播出，在剧中饰演夷吾。8月1日，主演的电影《古田军号》上映，在剧中饰演林彪。

2020年1月25日，张一山参加了2020年度北京卫视春节联欢晚会，同杨紫演唱《北京我的爱》。11月15日，由张一山和唐艺昕领衔主演的经典古装武侠剧《鹿鼎记》在CCTV-8经典剧场播出。前八集播出，豆瓣评分低至2.6，刷新了当年国产剧豆瓣评分的新低。环球人物评价“张一山痞气依旧，运用了和《余罪》中类似的调动面部表情的表演套路，却缺少对角色内在灵魂的探索，导致观众只见其“谐”，丝毫没看见人物背后应该立住的那个“庄”。”

2021年2月12日，主演的电影《发财日记》定档在腾讯视频、爱奇艺、优酷上映，在剧中饰演天意。3月1日，主演的电视剧《曾少年》开机，在剧中饰演秦川。5月25日，参演的电视剧《光荣与梦想》定档在腾讯视频、爱奇艺、优酷播出，在剧中饰演邓恩铭。6月16日，参演的电视剧《我们的新时代》定档在北京卫视、东方卫视、腾讯视频、爱奇艺、优酷播出。6月18日，参演的电影《守岛人》定档在中国内地上映，在片中饰演小豆子。7月11日，参演的电视剧《北辙南辕》定档在爱奇艺播出，在剧中饰演张一山。

2022年3月3日，发行合唱单曲《北京说》。5月27日，参加的综艺节目《萌探探探案2》定档在爱奇艺播出。9月30日，参演的电影《平凡英雄》定档在中国内地上映，在片中饰演刘锐。同年，参演电视剧《浴血荣光》。

2023年5月5日，参加的综艺节目《奔跑吧11》定档在浙江卫视、Z视介客户端播出。

2010年，张一山的高考总分为365分，高出艺术类本科录取线78分，考入北京电影学院，并举行成人礼，正式告别童星时代步入大学生活。

2014年，张一山大学毕业，同年5月22日，张一山和杨紫在微博晒出穿着学士服的毕业照，结束和告别了4年的大学生活，正式从北京电影学院本科毕业，也引来网友纷纷感叹。

2020年8月5日晚，宋妍霏工作室发文称宋妍霏和张一山已于今日和平分手，结束恋人关系。