张天霖高二的时候拍了周华健的MV《朋友》，后来在倪雅伦的介绍下签给经纪人方登恺，于是便开始了模特儿的的工作。在结束近8年的模特工作后开始参与电视剧演出。

2001年，开始涉足影视圈，参演钮承泽执导的台湾偶像剧《吐司男之吻》，饰演大毛。

2004年，与林依晨领衔主演台湾青春偶像剧《我的秘密花园Ⅱ》，饰演黄耀辉；12月5日，主演的爱情喜剧《男丁格尔》在台湾中视播出。

2006年8月21日，其主演的青春偶像剧《恋爱女王》播出，张天霖在剧中饰演左少棠。

2007年，主演爱情剧《情爱保险》，张天霖在剧中出演高帅富“高明”一角；同年参演商战题材电视剧《豪门本色》饰演“颜家晖”。

2012年，担任电视剧《生死一线间》男一号江凌；同年，受邀参演时尚都市情感剧《非缘勿扰》。

2013年，在家庭伦理剧《两个爸爸》中饰演质朴老实的“方飞竹”一角。2014年，与韩雪、朱泳腾合作，出演由陈伟祥执导的越狱题材电视剧《冲出月亮岛》，在剧中诠释“陆刚”一角；同年，参演由林建中执导的电视剧《英雄联盟》。

2015年，参演古装仙侠剧《蜀山战纪之剑侠传奇》，在剧中饰演腹黑反派魔宗西域霸主“屠霸”；同年，参演抗战动作剧《刀光枪影》；12月24日，其参演的古装战争传奇剧《抗倭英雄戚继光》在央视一套首播，张天霖在剧中饰演严嵩之子严世番。