1980年，童年时期的张震参演了由宋项如执导，胡慧中、张国柱主演的爱情电影《三角习题》。

1991年，15岁的张震出演了由杨德昌执导的爱情片《牯岭街少年杀人事件》 ，在片中饰演沉默寡言但倔强的主人公小四儿，并凭该片提名第28届台湾电影金马奖最佳男主角 。

1996年，再次与杨德昌导演合作，出演其执导的喜剧片《麻将》 ；8月23日，发行个人首张EP《张震就是张震》；12月31日，发行个人首张音乐专辑《一走了之》，其中收录了插曲《真相大白》、《无法逃避》等在内的十首歌曲。

1997年，与张国荣、梁朝伟合作出演由王家卫执导的文艺片《春光乍泄》 ，在片中饰演周游世界的台湾青年张宛，并凭此片提名第17届香港电影金像奖最佳男配角。

2000年，与周润发合作出演由李安执导的武侠动作片《卧虎藏龙》，饰演直爽深情的罗小虎，并凭该片提名第20届香港电影金像奖最佳男配角 。

2001年，在爱情片《爱你爱我》中饰演男主角Feng  。2002年，张震主演了由刘镇伟执导，王家卫监制的爱情喜剧片《天下无双》，在片中饰演正德皇帝朱厚照。

2003年，与梁朝伟、杨千嬅合作主演了爱情片《地下铁》，在片中饰演普通的上班族阿杰 。2004年，与梁朝伟、巩俐合作出演由王家卫执导的剧情片《2046》，在片中饰演一个乐团鼓手；12月30日，张震与小罗伯特·唐尼主演的爱情片《爱神》上映，他在片中饰演作学徒的张裁缝 。

2005年，与舒淇合作出演了由侯孝贤执导的爱情片《最好的时光》，而该片则入围了法国戛纳国际电影节竞赛单元，张震个人也凭借该片角逐最佳男主角，并提名第42届台湾电影金马奖最佳男主角。

2006年，主演苏照彬执导的科幻惊悚片《诡丝》，饰演忧郁的警探叶起东 ；同年，主演田壮壮执导的剧情片《吴清源》，饰演围棋大师吴清源 ，张震为了该片专门学习日文与围棋，他还凭借该片提名第43届台湾电影金马奖最佳男主角，角逐意大利罗马电影节竞赛单元最佳男主角，并在第三届大阪电影节上夺得最佳男主角奖，成为大阪电影节上首位获奖的华人演员。

2007年4月26日，张震主演的由金基德执导的剧情片《呼吸》在韩国上映，他在片中挑战出演无任何台词的角色，饰演了性格暴烈、因自杀未遂而失去了说话能力的死囚张真。而该片还入围了第60届戛纳国际电影节主竞赛单元 ；同年，与吴彦祖、刘烨合作出演了动作片《天堂口》，在片中饰演外表冷酷无情但实际情感丰富的杀手马克。

2008年，张震主演了由吴宇森执导的战争片《赤壁》系列，饰演优柔寡断的孙权 ；同年，在徐克执导的惊悚片《深海寻人》中饰演精神病患者Simon。

2009年1月7日，由张震主演的战争历史片《赤壁（下）》上映，并凭此片提名第29届香港电影金像奖最佳男配角。而随着电影的完结，该系列电影的总票房达5.8亿元；同年，在爱情片《蓝色矢车菊》中饰演留学归来的富家公子威廉 ；同年，张震参与功夫电影《一代宗师》的拍摄，并跟随八极拳第八代传人王世泉学习内家拳法。

2010年，主演喜剧片《财神到》饰演钢琴师程雨 。2011年6月15日，张震在上映的建党90周年献礼片《建党伟业》中饰演蒋介石。

2012年11月29日，张震与刘烨、吴彦祖领衔主演的历史战争片《王的盛宴》上映，他在片中饰演了精忠勇士韩信；同年，参演剧情片《昨日的记忆》，与隋棠在片中饰演一对无缘的情侣。

2013年1月8日，张震与梁朝伟、章子怡主演的由王家卫执导的动作剧情片《一代宗师》上映，并在片中饰演了性格豪迈热血的一线天，之后，该片3D版于2015年登陆中国大陆上映；同年，在由李芳芳编剧并执导的剧情片《无问西东》中饰演张果果。

2014年8月7日，张震主演的由路阳执导的古装武

侠片《绣春刀》上映，他在片中饰演述职锦衣卫却不得志默默无名的沈炼，而张震个人则凭借该片中的表现提名第51届台湾电影金马奖最佳男主角 。

2015年，张震首次登上羊年春晚，并表演武术节目《江山如画》；4月30日，张震在上映的动作片《赤道》中饰演了国际头号通缉犯金焘年 ；7月2日，由陈凯歌执导的奇幻冒险片《道士下山》上映，张震在片中饰演深藏不露的宗师级高手查老板；8月27日， 其搭档舒淇主演的古装动作片《刺客聂隐娘》上映，张震在片中饰演性情暴虐多变、内心复杂的田季安；11月7日，张震的蜡像入驻上海杜莎夫人蜡像馆。

2017年2月13日，由萨布执导的剧情片《龙先生》上映，张震在片中饰演杀手龙，该片还入围了第67届柏林国际电影节主竞赛单元，而他个人则凭借该片入围了银熊奖最佳男主角奖 ；7月19日，主演的武侠动作片《绣春刀Ⅱ：修罗战场》上映，他在片中饰演北镇抚司锦衣卫沈炼，该片上映一周票房突破2亿元，凭借该片他获得了第2届“亚洲璀璨之星”最佳男演员奖，第25届北京大学生电影节最佳男演员。

2018年1月12日，与章子怡、黄晓明等人合作主演的青春爱情片《无问西东》上映，张震在片中饰演广告公司的上班族张果果；4月，担任第71届戛纳电影节主竞赛单元评委，成为继张国荣、姜文和梁朝伟之后，又一担任三大国际电影节主竞赛单元评委的华人男演员 ；同年6月，担任第21届上海国际电影节金爵奖主竞赛单元评委。

2019年4月9日，张震确定出演好莱坞电影《沙丘》；4月30日，其主演的剧情电影《雪暴》上映，张震在片中饰演一位在边境守山的警察王康浩；7月15日，其主演的古装神话剧《宸汐缘》在爱奇艺播出，张震在剧中饰演肩负守护六界苍生之责的战神九宸，而这也是他首次出演电视剧。