1990年，就讀大學的張嘉益出演個人首部電影《聶榮臻》。
1995年，主演電視劇《道北人》，飾演張建國一角 。2009年，憑借倫理劇《蝸居》中飾演的“宋思明”一角獲得關注。
2011年，憑借在諜戰劇《借槍》中飾演的熊闊海一角獲得第17屆白玉蘭最佳男演員獎 。
2013年，憑借都市職場劇《浮沉》獲得第19屆白玉蘭“最佳男演員”獎   ；同年，獲得第29屆中國電視劇飛天獎頒獎典禮的“優秀男演員”獎。
2014年，領銜主演的都市時尚情感劇《一仆二主》收視達1.448%   ；同年，憑借電視劇《營盤鎮警事》獲得第27屆中國電視金鷹獎“觀眾喜愛男演員獎”及“最具人氣男演員獎”   。
2016年，主演的醫療劇《急診科醫生》北京衛視、東方衛視首播 。
2017年，由張嘉益主演并擔任藝術總監的電視劇《白鹿原》播出  ，同年，獲“中國反拐義務宣傳員”稱號  。
2018年，主演的都市家庭劇《美好生活》登陸東方衛視、北京衛視播出。
2019年，參演的電視劇《少年派》播出。2020年6月，主演抗疫題材電視劇《在一起》 。同年主演的電視劇《裝臺》上映。
2021年1月12日，參演的脫貧攻堅劇《山海情》播出，在劇中飾演馬喊水   。