2010年12月，张艺兴以公开练习生身份参与同公司组合shinee日本一巡演唱会的舞蹈演出，代替受伤的成员钟铉跳舞。2012年1月17日，张艺兴以sm公司公布男子组合exo成员lay的身份首次亮相，并公开单人出道预告照及第一支单人舞蹈预告《phoenix凤凰》 [15-16] ；4月8日，以exo团体和其子队exo-m中国成员身份正式出道 [17] ；12月29日，作为的中国籍主舞与sm旗下男子组合中的舞蹈精英集结成“sm7”，参与sbs歌谣大战s.m. the performance特别舞台的演出。2013年12月，exo以圣诞特别专辑《十二月的奇迹》回归，而张艺兴在舞台上的钢琴演奏则获得媒体和专业音乐人的认可 [18] 。而在2014年4月份举办的exo日本fanmeeting中，张艺兴再次进行了钢琴伴奏。2014年5月23日，张艺兴在exo首尔演唱会中公开自作曲《i’m lay》；6月起，以个人名义在中国国内进行活动，先后主持《音乐风云榜》、《全球中文音乐榜上榜》，并参加录制《星厨驾到》、《星星的密室》及《年代秀》等综艺节目 [19-20] ；9月19日，变身特派记者应邀参加中央电视台体育频道(cctv-5)的仁川亚运会特别节目，探访了中央电视台演播室；12月31日，在湖南卫视跨年演唱会中再次公开自作曲目《i’m coming》并独秀舞技。
《好先生》小蔡(11张)2015年2月11日，与张泉灵、任鲁豫、柳岩搭档主持cctv网络春节联欢晚会，担任分享大使与表演嘉宾和网友互动 [21] ；3月7日，在exo首尔二巡演唱会上，张艺兴公开了自作曲《约定》，这首歌同时收录于exo专辑《love me right》中，而他亦是第一位拥有个人原创曲收录进组合专辑的成员；5月13日，以固定嘉宾的身份加盟东方卫视励志体验真人秀节目《极限挑战》 [3] ；9月17日，个人首部成长记录图文书《而立·24》开售24分钟以近7万册的销售成绩刷新图书界预售活动新记录 [22] ；10月7日，张艺兴在生日会上首次公布5首原创新歌 [23] ；10月10日，exo成为首个登上韩国巨蛋开唱的艺人团体，而张艺兴也成为第一个登上韩国巨蛋的中国艺人 [24] ；11月3日，获得亚洲影响力东方盛典影响力全能艺人 [25] ；11月6日，特别出演爱情喜剧片《前任2：备胎反击战》，并亲自作词谱曲及献唱主题曲《一个人》 [26-27] ；11月15日，出席“风从东方来”娱乐影响力盛典并获得年度音乐先锋人物奖 [28] ；12月4日，张艺兴主演的首部大荧幕作品《从天儿降》上映，并为该片作词作曲并演唱主题曲《青春快乐》 [29-30] ；12月18日，确认主演时尚爱情喜剧电影《闭嘴！爱吧》并在片中饰演男主角中国歌手韩彬 [31] 。
《老九门》二月红(19张)2016年1月15日，张艺兴主演的喜剧悬疑片《极限挑战》上映 [32] ；4月9日，张艺兴凭借原创歌曲《一个人》获得第16届音乐风云榜年度盛典年度电影歌曲及年度新人两项个人奖项 [33] ；4月17日，继续加盟《极限挑战第二季》 [34] ；5月27日，张艺兴公开solo原创单曲《独角戏》 [35] ；5月31日，参演个人首部都市情感剧《好先生》，他在剧中饰演热爱厨艺、执着追梦的后厨菜鸟小蔡，并凭借该剧提名第22届华鼎奖中国百强电视剧新锐演员 [36-37] ；6月26日，张艺兴凭借爱情喜剧片《前任2：备胎反击战》获得第四届中英电影节男配角奖 [4] ；7月4日，其主演的民国悬疑剧《老九门》播出，张艺兴饰演儒雅温润且情深义重的长沙花鼓戏名角二月红，该剧在播出后以1.138%的平均收视率刷新年度各卫视周播剧的收视纪录，网络播放量突破百亿，成为全网史上首部破百亿的自制剧 [38-39] ；10月7日，发布首张原创solo专辑先行曲《what u need》，该曲mv公开21小时，海外平台youtube播放量便破百万，张艺兴成为youtube平台上mv最快突破100万的中国籍歌手，同时刷新sm娱乐旗下男艺人solo首日youtube点击成绩 [40] ；10月20日，继续主演民国悬疑片《老九门番外之二月花开》饰演二月红，该片上线十天播放量突破5000万 [41-42] ；10月28日，发行个人首张创作专辑《lose control》，随后该专辑刷新韩国solo歌手各项记录（首日/首周/年销），实体专辑销量突破27万，数字专辑销量突破100万，并刷新华语专辑itunes榜单成绩，此外，他还凭借该专辑获得音悦v榜年度盛典年度专辑、内地男歌手两项奖项 [6] [43-45] 。
《求婚大作战》严小赖(31张)2017年1月27日，张艺兴首次登上央视春晚舞台，并与井柏然合唱歌曲《健康动起来》 [46] ；1月28日，由唐季礼执导的功夫喜剧电影《功夫瑜伽》上映，他在片中饰演考古学助教朱小光，该片最终以17.53亿元夺得本年春节档票房冠军 [47-48] ；2月27日，获得第2届中国电视剧品质盛典年度全能艺人奖 [12] ；4月24日，与陈都灵合作主演的校园青春偶像剧《求婚大作战》首播，他在剧中饰演性格内向的严小赖，并为该剧配唱插曲《祈愿》 [49-50] ；7月9日，继续加盟星素互动励志体验节目《极限挑战第三季》 [51] ；7月27日，其参演的战争片《建军大业》上映，他在片中饰演秋收起义总指挥卢德铭，并凭借该剧提名第9届澳门国际电影节男配角奖 [52] ；9月8日，张艺兴的蜡像在北京杜莎夫人蜡像馆音乐区举行揭幕仪式 [53] ；9月17日，确定主演由都市探险同名小说改编的电视剧《黄金瞳》，并在剧中饰演男主角庄睿 [54] ；9月25日，发行先行曲《i need u》并宣布回归乐坛 [55] ；10月7日，发行第二张个人专辑《sheep》，该专辑获得itunes worldwide世界专辑榜第9名，再次刷新华语专辑及歌手在世界专辑榜排名的在榜记录(2016.10.28《lose control》16位)，而张艺兴则成为首个登上海外itunes专辑榜前十的华语歌手 [7] [56] ；与此同时，张艺兴在这一年的福布斯中国名人榜中排名则跃居到了第20位 [57] ；10月18日，张艺兴以《老九门》中“二月红”的造型为原型的第二个蜡像在上海杜莎夫人蜡像馆《老九门》影视娱乐专区揭幕 [58] ；12月22日，发行冬日唱片《winter special gift》 [59] 。2018年1月，与汤唯、朱亚文合作主演古装宫廷剧《大明皇妃孙若微传》，并在剧中饰演一生跌宕起伏、两次登基帝位的明英宗朱祁镇 [60] ；19日，以全民制作人代表的身份加盟偶像男团竞演养成类真人秀《偶像练习生》 [61] 。2月15日，2018年中央电视台春节联欢晚会，张艺兴与黄渤、陈伟霆表演歌； [62] 3月30日，以信使的身份参加央视一套人文艺术类节目《信·中国》 [63] ；4月30日，央视五四晚会录制，张艺兴荣获2018年度“五月的鲜花”优秀青年演员称号 [64] ；5月，献唱“五四青年节”特别歌曲《强国一代有我在》，并参演mv [65] ；10月，张艺兴携新专辑《梦不落雨林/namanana》亮相湖南卫视《天天向上》。 [66] 2019年2月4日，2019年中央广播电视总台春节联欢晚会，张艺兴与凤凰传奇、钟汉良、迪丽热巴、周冬雨表演歌舞《中国喜事》 [67] ；2月28日，第三尊个人蜡像在香港杜莎夫人蜡像馆举行揭幕仪式