2013年，客串出演电视剧版《失恋33天》；同年，主演由魏永刚执导的战争、励志、轻喜剧《大号小兵》。
2014年，在都市家庭轻喜剧《食来孕转》中饰演马瑞一角；同年，在军旅题材电视剧《大熔炉》中饰演虽然外表痞气，但内心真诚重情义、充满正义感的小士兵徐小斌；同年7月，参演青春励志喜剧电影《黄金福将》。
2015年1月，参演的抗日题材电视剧《杀寇决》在吉林卫视播出，张一山饰演男主角陆子铮；同年4月12日，加盟并担任CCTV6首档青春益智真人秀《校花与学神》的导师；11月，在网友投票评选出的“中国90后10大影响力人物”中，张一山排名第五；同年12月22日，与歌手丁丁共同主演的悬疑电影《隔离岛》正式杀青，该片于2016年9月全国上映 。
2016年，主演电视连续剧《我的父亲我的兵》；同年5月，主演的刑侦题材网剧《余罪》网络首播，张一山在剧中饰演一名刚从警校毕业就进入贩毒团伙中的卧底警察余罪，该剧播出半个月网络点击率超过4.5亿，并获得良好口碑；同年6月主演古装青春偶像剧《重耳传》饰演夷吾；主演农村题材剧《青谷子》，饰演焦大楼。