2002年9月，参与拍摄顾晓阳执导的怀旧生活剧《花开也有声》，在剧中饰演猴子。

2005年7月20日，与霍思燕、郑国霖、蒋欣主演的古装神话剧《欢天喜地七仙女》在上海电视台电视剧频道黄金档首播。在剧中饰演黑鹰，2005年9月12日，与张前、陈健执导，李幼斌、张光北、何政军主演的战争题材剧《亮剑》在中央电视台综合频道黄金档播出，因在剧中饰演魏和尚一角为观众熟知。

2005年，在董志强执导，刘小锋、李光洁主演的悬疑剧《密令1949》中饰演山本。

2006年4月，在张前、陈健执导，孙淳、盖丽丽、王新军主演的战争剧《中国近卫军》中饰演夏若女，该剧于2007年4月27日在山东电视影视频道黄金时段播出。10月底，到云南西双版纳拍摄根据小说《傣之梦》改编而成的电视剧《世纪不了情》饰演埃桑。

2007年，3月在四川绵阳参与农村题材剧《衣食父母》的拍摄，在剧中饰演村支书李灵聪。7月在李幼斌、张光北主演反映第五次反围剿的电视剧《仁者无敌》中饰演王亚竹，该剧于2008年2月1日在重庆电视台影视频道巴山剧场首播。11月在四川省泸州市拍摄黄健中执导的战争剧《雾柳镇》饰演土匪黑狗和汉奸宝子。

2008年，3月在北京怀柔飞腾影视城拍摄励志商业剧《一代大商孟洛川》饰演男主角孟洛川，该剧于2009年12月5日在人民大会堂举行媒体见面会，2009年12月11日在CCTV8 黄金档首播。8月在王茜华、苗圃、董璇主演的历史剧《闯关东中篇》中饰演成年宋天虎，该剧于2009年8月17日在北京卫视、浙江卫视黄金档同步首播。

2009年，4月在浙江横店影视城拍摄近代革命剧《虾球传》饰演蟹王七，合作演员有郑则仕、李晨、曾黎，该剧于2010年3月11日在济南电视台新闻频道首播 [38-39]  。同时在中国(怀柔)影视基地出演陈数、巍子、张少华主演的抗日年代剧《铁梨花》饰牛旦。5月在浙江横店影视城参演近代传奇剧《红槐花》，该剧于2011年6月27日在安徽卫视黄金档首播，凭借程牛儿一角入围南方盛典最佳男主角。8月11日在江西南昌参与拍摄青春励志剧《真情真义》。12月初在福建厦门与曹曦文、袁珊珊、关思婷主演情感伦理剧《野鸭子》饰演杨顺，于2011年1月17日在CCTV 8首播，该剧获得第十一届中日韩电视制作者论坛观摩作品大奖。

2010年，3月在贵州省大方县拍摄历史剧《奢香夫人》饰演马烨。7月18日在四川攀枝花拍摄《金沙》。10月在浙江横店影视城拍摄谍战剧《黄金密码》饰演周剑雄，该剧于2011年12月24日在上海电视台新闻综合频道黄金档播出。

2011年，3月在山东潍坊，与童瑶、姜超共同拍摄《年画》饰演杨德龙。6月在四川省泸州市，与苏岩、卢星宇出演战争情感剧《川西剿匪记》饰演周致斌。8月在山西太原，与李沁、李金哲主演抗日战争剧《晋阳秋》饰演郭松。10月与范伟主演近代革命剧《上阵父子兵》饰乔群。

2012年5月，在北京参与拍摄家庭剧《家事也是事》，饰演马文杰，该剧于2013年1月18日在北京电视台影视频道首播。再次与曹曦文合作主演情感伦理剧《野鸭子2》。

2013年8月，在山东济南拍摄抗战剧《一个和八个》饰演王金，合作演员有李易祥、 陈美行。12月23日领衔主演的“民族文化”抗战电视剧《大掌门》播出。

2014年，出演谍战剧《孤战》，在剧中客串党卫国。

2015年1月，领衔主演革命传奇剧《我和妈妈走长征》。5月24日出演的电视剧《致命行动》在北京影视频道播出；7月参演电视剧《二毛驴从军记》，饰演马大虎一角；12月主演电视剧《红色护卫》。

2016年，参演三十集电视连续剧《绝命后卫师》。10月12日，与联合杨若兮主演闫宇彤执导的红色年代传奇剧《星火燎原之云雾街》，在剧中饰演茶世家的二少爷卢人杰。

2017年5月，张桐做客广播节目《电波光影》；5月，张桐和于明加参加《和明星去旅行》环澳第三季。

2018年凭《绝命后卫师》获得第31届中国电视剧飞天奖优秀男演员奖，成为首位获得飞天奖优秀男演员奖的80后男演员。

2019年10月16日，张桐领衔主演的影片《打过长江去》在全国上映，12月26日，与彭冠英、王乐君、潘雨辰等主演《绝境铸剑》在中央电视台综合频道首播，在剧中饰演双男主之一李化成。

2021年1月21日上午，主演剧《枫桥派出所的故事》在诸暨枫桥开机；2月1日，与于和伟、侯京健、马少骅领衔主演的重大革命历史题材史诗巨制《觉醒年代》在央视一套黄金档播出播出，在剧中饰演李大钊；4月18日，领衔主演的近代革命历史剧《绝密使命》开播，在剧中饰演大埔青溪中站站长潘雨青；5月25日，出演的重大革命历史题材剧《光荣与梦想》在北京卫视、东方卫视及腾讯视频、爱奇艺、优酷同步播出。