2009年，与成龙共同主演儿童电影《寻找成龙》，张一山饰演了一个因喜爱武术而去寻找成龙学功夫的少年，该片所有武打戏份张一山均亲自完成没有用替身；同年，与《家有儿女》原班人马共同出演儿童剧《不想长大》。
2010年，客串情景喜剧《圆圆的故事》，该剧讲述了贾圆圆大学毕业后来到了小时候居住的社区，踌躇满志的她步入社区工作的故事；同年11月出演文隽、叶伟民执导的功夫片《李小龙我的兄弟》上映，张一山在剧中饰演刘连光一角。
2011年9月，在为庆祝中国共产党建党九十周年而制历史题材影片《建党伟业》中饰演中国共产党的创始人之一的邓恩铭同志；同年10月9日，在东方卫视《舞林大会》中赢得冠军；同年，参演灾难剧情片《南方大冰雪》饰演杨华华一角；同年与蒋小涵合作，出演剧情片《篮球公园》。
2012年6月，再度与杨紫合作，在电视剧《老爸回家》中饰演高贺；同年7月，出演首部时装剧《星光都市2》，在剧中饰演有梦游有有艺术气质的周浩；同年11月，参演讲述80后的父母辈爱情故事的电视剧《最爱·你》；同年，参演都市爱情电影《三个未婚妈妈》；随后出演战争题材儿童剧《小小飞虎队》，该剧讲述了抗日战争时期小小飞虎队的故事。