2005年,参演首部电视剧《玉卿嫂》,正式进入演艺圈。2006年,参演电视剧《真情无限之继母》,饰演阿凡;同年自导自演话剧《和空姐同居的日子》。2007年,参演话剧《艳遇》。2008年3月-2010年3月,与刘烨、袁泉联袂主演由孟京辉执导的话剧《琥珀》。2011年,与蒋雯丽、邬君梅、梁静联袂主演都市情感电视剧《女人帮》,饰演从国外回来的都市型男叶平。2012年5月,参与拍摄女性励志剧《娘要嫁人》,饰演才华横溢、富有情调的文艺青年戴世亮;9月,主演 年代戏《乱世书香》,饰演温和儒雅,心地善良徐书成。2013年3月29日,参演的喜剧电影《厨子戏子痞子》在全国上映;4月,在张涵予、刘烨、黄渤主演的电视剧《火线三兄弟》中饰演手段狠辣的特高课课长高木,该剧自4月27日登陆北京电视台影视频道后,单集最高收视逼近七个点,平均收视率接近六个点,获得北京地区同时段收视冠军。2014年3月,主演的都市情感喜剧《一仆二主》在东方、深圳、山东、陕西四大卫视首播,剧中张鲁一饰演极品博士男齐建军。2014年10月四大卫视联播的《红色》则让张鲁一尝到了走红的滋味,扮演低调、内敛、谦卑的隐形男徐天,看似文弱,实际身怀绝技却藏身弄堂大隐于市,颠覆以往抗日主旋律电视剧主角匪气形象。而同时开播的《谈判冤家》中,张鲁一转身成为了海归总裁,带给人不同以往的感觉。2015年,张鲁一还将有三部作品与大家见面。分别是刘进导演的《我的老婆大人是八零后》,路奇导演的《东方战场》与高希希导演的《马上天下》。2016年3月,出演年代大戏《燃情大地》,饰演男一号马中秋。同年,出演“热血探秘传奇巨制“《老九门》;参演奇幻青春剧《九州天空城》;主演当代商战励志情感大剧《新海》;9月5日,主演的谍战剧《麻雀》播出,饰演毕忠良。2017年,主演苏有朋执导的悬疑电影《嫌疑人X的献身》;主演《长河落日》。2018年1月12日,在2017中国好演员推选表彰会上获2017中国好演员蓝宝石演员奖。2月27日,第九届中国电影导演协会2017年度初评入围名单揭晓,张鲁一凭借《嫌疑人X的献身》入围年度男演员。3月10日,参加《声临其境》。10月22日,凭借《爱国者》获得第24届华鼎奖中国近现代题材电视剧最佳男演员提名奖。2019年11月8日,参加的大型文化季播节目《上新了·故宫》第二季在北京卫视和爱奇艺播出。11月20日,主演的电视剧《第二次也很美》在东方卫视播出,在剧中饰演许朗。12月20日,参演的电视剧《精英律师》在中国大陆播出,在剧中饰演苑总。2020年1月,主演的电影《柳川》开机。1月13日,主演的电视剧《新世界》在北京卫视、东方卫视播出,在剧中饰演铁林。7月17日,凭借《新世界》获第26届上海电视节白玉兰奖最佳男配角提名。8月,参演电视剧《三体》,在剧中饰演汪淼。10月24日,参加的大型文化季播节目《上新了·故宫第三季》定档在北京卫视播出。;10月30日,主演的谍战剧《党小组》在横店开机;12月1日,主演的电视剧《大秦赋》定档在央视电视剧频道播出,在剧中饰演嬴政。2021年1月11日,主演的电视剧《这个世界不看脸》定档在江苏卫视、腾讯视频、爱奇艺播出,在剧中饰演连胜。2月,参演电视剧《完美伴侣》,在剧中饰演孙磊。5月,获首届澳涞坞国际电视节中国共产党成立100周年全国优秀电视剧男演员提名。