2016年，胡一天出演《猫的树》系列微电影。同年，他因出演由郭敬明监制的青春偶像剧《夏至未至》，在剧 中饰演欧俊一角，正式出道。

2017年11月，胡一天首次担任男主角，与沈月合作主演青春爱情剧《致我们单纯的小美好》，在剧中饰演外冷内热的傲娇医生江辰，并演唱了片尾曲《是梦吧》，凭借该剧获得腾讯视频星光大赏年度潜力电视剧男演员奖。12月，参加湖南卫视《快乐大本营》的录制。

2018年，加盟悬念式户外真人秀《二十四小时》第三季担任常驻嘉宾，展开趣味挑战与文化交流之旅；同年3月，加盟甜萌梦幻爱情剧《亲爱的，热爱的》，在剧中特别出演K&K战队队长、计算机天才吴白（Dt）；同年7月，主演张赫洋导演电视剧《青春须早为》饰演90后创业达人“郑乾”。同年11月参演由作家八月长安同名小说改编的电视剧《暗恋橘生淮南》，饰演男主角盛淮南。

2019年3月，搭档张云龙、肖燕等主演超级剧集《民国奇探》，在剧中饰演从英国留学归来的纨绔公子路垚。

2020年1月16日，根据古龙同名小说改编的古装武侠剧《绝代双骄》在中央电视台电视剧频道播出，胡一天在剧中饰演男主角花无缺。