2010年12月，張藝興以公開練習生身份參與同公司組合SHINee日本一巡演唱會的舞蹈演出，代替受傷的成員鍾铉跳舞。

2012年1月17日，張藝興以SM公司公布男子組合EXO成員LAY的身份首次亮相，并公開單人出道預告照及第一支單人舞蹈預告《PHOENIX鳳凰》 ；4月8日，以EXO團體和其子隊EXO-M中國成員身份正式出道；12月29日，作爲唯一的中國籍主舞與SM旗下男子組合中的舞蹈精英集結成“SM7”，參與SBS歌謠大戰S.M. The Performance特别舞台的演出。

2013年12月，EXO以聖誕特别專輯《十二月的奇迹》回歸，而張藝興在舞台上的鋼琴演奏則獲得媒體和專業音樂人的認可。而在2014年4月份舉辦的EXO日本FANMEETING中，張藝興再次進行了鋼琴伴奏。

2014年5月23日，張藝興在EXO首爾演唱會中公開自作曲《I’m Lay》；6月起，以個人名義在中國國内進行活動，先後主持《音樂風雲榜》、《全球中文音樂榜上榜》，并參加錄制《星廚駕到》、《星星的密室》及《年代秀》等綜藝節目；9月19日，變身特派記者應邀參加中央電視台體育頻道(CCTV-5)的仁川亞運會特别節目，探訪了中央電視台演播室；12月31日，在湖南衛視跨年演唱會中再次公開自作曲目《I’m Coming》并獨秀舞技。

2015年2月11日，與張泉靈、任魯豫、柳岩搭檔主持CCTV網絡春節聯歡晚會，擔任分享大使與表演嘉賓和網友互動；3月7日，在EXO首爾二巡演唱會上，張藝興公開了自作曲《約定》，這首歌同時收錄于EXO專輯《LOVE ME RIGHT》中，而他亦是第一位擁有個人原創曲收錄進組合專輯的成員；5月13日，以固定嘉賓的身份加盟東方衛視勵志體驗真人秀節目《極限挑戰》；9月17日，個人首部成長記錄圖文書《而立·24》開售24分鍾以近7萬冊的銷售成績刷新圖書界預售活動新記錄；10月7日，張藝興在生日會上首次公布5首原創新歌；10月10日，EXO成爲首個登上韓國巨蛋開唱的藝人團體，而張藝興也成爲第一個登上韓國巨蛋的中國藝人；11月3日，獲得亞洲影響力東方盛典最具影響力全能藝人；11月6日，特别出演愛情喜劇片《前任2：備胎反擊戰》，并親自作詞譜曲及獻唱主題曲《一個人》；11月15日，出席“風從東方來”娛樂影響力盛典并獲得年度音樂先鋒人物獎；12月4日，張藝興主演的首部大熒幕作品《從天兒降》上映，并爲該片作詞作曲并演唱主題曲《青春快樂》；12月18日，确認主演時尚愛情喜劇電影《閉嘴！愛吧》并在片中飾演男主角中國歌手韓彬 。

2016年1月15日，張藝興主演的喜劇懸疑片《極限挑戰》上映；4月9日，張藝興憑借原創歌曲《一個人》獲得第16屆音樂風雲榜年度盛典年度最受歡迎電影歌曲及年度最受歡迎新人兩項個人獎項；4月17日，繼續加盟《極限挑戰第二季》 ；5月27日，張藝興公開Solo原創單曲《獨角戲》 ；5月31日，參演個人首部都市情感劇《好先生》，他在劇中飾演熱愛廚藝、執着追夢的後廚菜鳥小蔡，并憑借該劇提名第22屆華鼎獎中國百強電視劇最佳新銳演員；6月26日，張藝興憑借愛情喜劇片《前任2：備胎反擊戰》獲得第四屆中英電影節最佳男配角獎；7月4日，其主演的民國懸疑劇《老九門》播出，張藝興飾演儒雅溫潤且情深義重的長沙花鼓戲名角二月紅，該劇在播出後以1.138%的平均收視率刷新年度各衛視周播劇的收視紀錄，網絡播放量突破百億，成爲全網史上首部破百億的自制劇；10月7日，發布首張原創Solo專輯先行曲《What U need》，該曲MV公開21小時，海外官方平台YouTube播放量便破百萬，張藝興成爲YouTube平台上MV最快突破100萬的中國籍歌手，同時刷新SM娛樂旗下男藝人solo首日YouTube點擊最好成績；10月20日，繼續主演民國懸疑片《老九門番外之二月花開》飾演二月紅，該片上線十天播放量突破5000萬；10月28日，發行個人首張創作專輯《LOSE CONTROL》，随後該專輯刷新韓國solo歌手各項記錄（首日/首周/年銷），實體專輯銷量突破27萬，數字專輯銷量突破100萬，并刷新華語專輯iTunes榜單最好成績，此外，他還憑借該專輯獲得音悅V榜年度盛典年度專輯、内地最佳男歌手兩項獎項。

2017年1月27日，張藝興首次登上央視春晚舞台，并與井柏然合唱歌曲《健康動起來》；1月28日，由唐季禮執導的功夫喜劇電影《功夫瑜伽》上映，他在片中飾演考古學助教朱小光，該片最終以17.53億元奪得本年春節檔票房冠軍；2月27日，獲得第2屆中國電視劇品質盛典年度全能藝人獎；4月24日，與陳都靈合作主演的校園青春偶像劇《求婚大作戰》首播，他在劇中飾演性格内向的嚴小賴，并爲該劇配唱插曲《祈願》；7月9日，繼續加盟星素互動勵志體驗節目《極限挑戰第三季》；7月27日，其參演的戰争片《建軍大業》上映，他在片中飾演秋收起義總指揮盧德銘，并憑借該劇提名第9屆澳門國際電影節最佳男配角獎；9月8日，張藝興的蠟像在北京杜莎夫人蠟像館音樂區舉行揭幕儀式；9月17日，确定主演由都市探險同名小說改編的電視劇《黃金瞳》，并在劇中飾演男主角莊睿；9月25日，發行先行曲《I NEED U》并宣布回歸樂壇；10月7日，發行第二張個人專輯《SHEEP》，該專輯獲得iTunes worldwide世界專輯榜第9名，再次刷新華語專輯及歌手在世界專輯榜排名最高的在榜記錄(2016.10.28《Lose Control》16位)，而張藝興則成爲首個登上海外iTunes專輯榜前十的華語歌手；與此同時，張藝興在這一年的福布斯中國名人榜中排名則躍居到了第20位；10月18日，張藝興以《老九門》中“二月紅”的造型爲原型的第二個蠟像在上海杜莎夫人蠟像館《老九門》影視娛樂專區揭幕；12月22日，發行冬日唱片《Winter Special Gift》。

2018年1月，與湯唯、朱亞文合作主演古裝宮廷劇《大明皇妃孫若微傳》，并在劇中飾演一生跌宕起伏、兩次登基帝位的明英宗朱祁鎮；19日，以全民制作人代表的身份加盟偶像男團競演養成類真人秀《偶像練習生》。2月15日，2018年中央電視台春節聯歡晚會，張藝興與黃渤、陳偉霆表演歌曲《最好的舞台》；3月30日，以信使的身份參加央視一套人文藝術類節目《信·中國》 ；3月26日，第25屆東方風雲榜音樂盛典獲得“年度最佳專輯”、“年度最佳制作人”、“年度最受歡迎男歌手”，并在現場演唱歌曲串燒《I NEED U》 《CAN YOU FEEL ME》；4月30日，央視五四晚會錄制，張藝興榮獲2018年度“五月的鮮花”優秀青年演員稱号；同月，參演由黃渤執導的電影《一出好戲》；5月，獻唱“五四青年節”特别歌曲《強國一代有我在》，并參演MV；10月，張藝興攜新專輯《夢不落雨林/NAMANANA》亮相湖南衛視《天天向上》。

2019年2月4日，2019年中央廣播電視總台春節聯歡晚會，張藝興與鳳凰傳奇、鍾漢良、迪麗熱巴、周冬雨表演歌舞《中國喜事》；2月28日，第三尊個人蠟像在香港杜莎夫人蠟像館舉行揭幕儀式。