配音演员出身的张涵予曾为《指环王》、《特洛伊》等大片配过音，而近年也不断“触电”，在《贻笑大方》、《贫嘴张大民的幸福生活》、《梦开始的地方》等电视剧中，张涵予游走在各类角色中，给观众留下深刻印象。
虽然是干配音起家，可从严格意义上说，张涵予不算真正的配音演员，因为他的专业是在中戏学的表演，干上配音工作纯粹是因为喜欢。读高中时，他就到中央电视台译制片组给外国影片配音，算起来跟现在的少儿节目主持人董浩是一拨儿。
最初让张涵予“上瘾”的是一部电视剧，名叫《梦开始的地方》，跟陶虹配戏，结果他的表演梦竟然真的开始了。而接二连三地与冯小刚合作，也让张涵予越来越火起来。两人的合作始于《大腕》，他在其中客串扮演精神病院里的IT专家；在《天下无贼》里，他扮演一个化装成“E时代画家”的卧底干警，不动声色地周旋在一大群狡猾的盗贼中间。最终签约冯小刚的工作室，出演他继《夜宴》之后执导的《集结号》。2007贺岁档，《集结号》全国热映，创下2.6亿的票房纪录，张涵予也凭《集结号》迅速窜红，并成功跻身于国内一线影星之列。
2008年12月6日，张涵予通过主演《集结号》获得金马奖影帝。
2009年3月，获得第二届第二届华鼎中国影视最佳表现男演员奖 ；9月，主演电影《风声》，与李冰冰、周迅两位美女有大量对手戏 。
2011年，参演李仁港电影《鸿门宴》，首次出演武打戏饰演张良 ；8月，在《新水浒传》中饰演宋江。
2013年3月，零片酬出演管虎执导的电影《厨子·戏子·痞子》，张涵予饰演的“戏子”表现“疯癫异常”，既鬼马又毒舌，一段骂小日本的个人预告是让人跌破眼镜；6月，加盟《火线三兄弟》，饰演骁勇善战的“田大林”；11月，主演电影《我爱的是你爱我》，与王珞丹在片中出演相差18岁的“忘年恋”；同年，与曾志伟、陈可辛、宁静、海清担任重庆卫视《奇迹梦工厂》的导师 。
2014年12月23日，其主演的电影《智取威虎山》在全国各大院线上映。张涵予在这部电影中饰演“杨子荣”一角。
2015年，加盟张艺谋执导好莱坞魔幻电影《长城》 。9月，张涵予、彭于晏、冯文娟主演的警匪动作大片《湄公河行动》在曼谷正式开机 。
2016年，6月加盟吴宇森执导的重拍版《追捕》 。为史诗动作冒险影片《奇幻森林》中文版主角黑豹巴希拉配音 。9月30日，主演的警匪动作片《湄公河行动》上映，蝉联单日票房及上座率冠军，被网友称作“国庆档最强势影片” 。
2017年，联袂福山雅治主演吴宇森执导的电影《追捕》，饰演杜秋 。
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