张天霖在高二求学期间便有幸参与了著名歌手周华健的音乐录影带拍摄工作《朋友》，这段经历为他日后步入演艺圈埋下了最初的伏笔。此后，经由友人倪雅伦的引荐，他正式与资深经纪人方登恺签约，从而开启了其职业模特生涯。在长达近八年的模特工作中，他积累了丰富的镜头经验和表演技巧。完成这段模特阶段的历练后，张天霖逐渐将事业重心转向影视领域，开始积极参与各类电视剧的演出，踏上了演员发展的新道路。
演艺事业的拓展始于2001年，当时他首次踏入影视领域，在钮承泽导演的台湾偶像剧《吐司男之吻》中出演了名为大毛的角色，由此开启了表演生涯。2004年，他迎来了一个重要机会，与知名演员林依晨共同领衔主演了台湾青春偶像剧《我的秘密花园Ⅱ》，在剧中生动诠释了黄耀辉这一人物形象；同年12月5日，由他主演的一部爱情喜剧《男丁格尔》于台湾中视正式播出，进一步积累了观众人气。在作品《我的秘密花园Ⅱ》中，他同样饰演了黄耀辉（位于画面左侧），随后在《我的秘密花园Ⅱ》里也继续扮演黄耀辉（同样处于左侧位置），而在《我的秘密花园Ⅱ》中，他则饰演了黄耀辉（位于后排中间），展现了同一角色在不同作品中的延续性。2006年8月21日，其主演的另一部青春偶像剧《恋爱女王》与观众见面，张天霖在剧中成功塑造了左少棠这一角色。2007年，他主演了一部爱情剧《情爱保险》，在剧中出演了被称为高帅富的角色“高明”，同年还参演了一部商战题材的电视剧《豪门本色》，饰演了名为“颜家晖”的人物。2012年，他在电视剧《生死一线间》中担纲男一号，出演江凌这一重要角色；同年，他还受邀参演了一部时尚都市情感剧《非缘勿扰》，进一步丰富了其表演履历。
二零一三年，张天霖在家庭伦理剧《两个爸爸》中出演了角色“方飞竹”，他以扎实的表演将这位质朴而老实的人物形象刻画得深入人心。到了二零一四年，他进一步拓宽戏路，与知名演员韩雪、朱泳腾共同合作，参演了由导演陈伟祥执导的越狱题材电视剧《冲出月亮岛》，在剧中他成功塑造了坚毅果敢的“陆刚”一角，展现了角色在极端环境下的复杂内心；同年，他还参与了由导演林建中执导的电视剧《英雄联盟》，继续积累着多样的表演经验。进入二零一五年，张天霖在古装仙侠剧《蜀山战纪之剑侠传奇》中挑战了截然不同的角色类型，饰演了心机深沉、手段狠辣的魔宗西域霸主“屠霸”，其反派演绎令人印象深刻；同年，他也投身于一部抗战动作剧《刀光枪影》的拍摄，展现了其在动作戏份上的驾驭能力。同年十二月二十四日，其参与出演的古装战争传奇大剧《抗倭英雄戚继光》于中央电视台一套频道正式首播，他在剧中精彩诠释了明代权臣严嵩之子严世番，将这一历史人物的多面性呈现于观众面前。紧接着在十二月三十一日，由曾晓欣执导的悬疑题材电视剧《昙花梦》也如期播出，张天霖在剧中饰演了关键角色方捷，为剧集的悬念推进增添了重要分量。
在2017年5月11日，由其主演、吴锦源担任导演的剧情类电视剧《百战天狼》正式与观众见面，他在该剧中成功塑造了名为黑鹰的角色形象。进入2018年1月30日，他参与了由吴奇隆、雨婷儿、陈哲远等共同主演的古装奇幻题材电视剧《蜀山战纪2踏火行歌》的演出，该剧于当日顺利播出。同年10月22日，他再度亮相于吴强执导的双世宠妃系列作品《双世宠妃Ⅱ》之中，并在剧中饰演了韦将军这一重要角色。紧接着在11月22日，由其主演的一部短片《幕后》于中国台北金马影展期间进行了特别展映。2019年10月14日，他参演了由李阳执导，方逸伦、凌美仕、张瑞成等联袂主演的古装爱情剧《明月照我心》，并在剧中生动演绎了汐月王子这一人物。2020年4月23日，他加入了由黄伟杰、何振华、苏志永、马华干等多位导演共同执导的古装电视剧《天醒之路》的拍摄，在剧中他扮演了身份复杂的无极山庄庄主，同时也是原北斗阁七位峰主之一的燕秋辞。时间来到2023年3月12日，他参演的、由邓安宁执导的爱情题材电视剧《婚姻结业式 第二季》率先在中国台湾地区进行了首播，他在剧中饰演的角色名为骆诚。同年10月24日，他又参与了由王明台与罗晓霞两位导演合作执导的剧情电视剧《开创者》，该剧同样选择在中国台湾地区完成了首播。展望2025年9月10日，他还将参与一档纪实风格的文旅探索类奥运体操综艺节目《隆行天下之重走八千里路云和月》的录制，这档节目预计将在爱奇艺与腾讯视频两大网络平台同步播出。
2023年6月8日，洪小铃官宣与演员张天霖恋情。
2024年12月4日，演员张天霖与洪小铃正式办理了结婚登记手续，携手步入婚姻殿堂。在同一天，洪小铃也向公众分享了一个喜讯，她确认自己已经怀有身孕，即将迎来新的家庭成员。这一连串的好消息标志着两人的人生进入了崭新的阶段，共同开启未来的幸福旅程。
二零二五年四月四日，演员张天霖的妻子洪小铃通过其个人社交媒体账号分享了一组照片，正式向公众宣布他们的女儿已平安降生。在发布的图文内容中，洪小铃洋溢着幸福与喜悦之情，向所有关心他们的亲友与粉丝传达了这一家庭喜讯。新生的小宝贝被家人亲切地唤作“张小妹”，她的到来为这个家庭增添了无尽的温馨与欢乐。许多网友与圈内好友在看到消息后，纷纷在评论区留言，为这对夫妇送上真挚的祝福，共同分享这份迎接新生命的感动与美好。
在现实生活中，张天霖始终保持着极为自律的健身习惯，堪称一位十足的肌肉型男，其身形线条分明，拥有近乎完美的黄金比例，这无疑为他早年作为模特的职业生涯增添了显著的亮点。凭借多年来在荧幕上出色的表演功底以及塑造出的多个深入人心的角色形象，张天霖早已为广大观众所熟知并深受喜爱。无论是演绎温柔体贴、无微不至的暖心男友，还是刻画心机深沉、邪恶无比的腹黑反派，他总能精准把握人物特质，展现出极强的可塑性。始终致力于在表演道路上寻求突破、不断挑战自我的张天霖，在历史题材作品《抗倭英雄戚继光》中同样贡献了令人瞩目的演技。剧中，他一红一蓝两套造型尤为精致考究，甫一出场便凭借鲜明的视觉对比与其他角色区分开来，而其一言一行、举手投足之间，乃至眉宇眼神的细微流转，都将所饰角色的神韵刻画得淋漓尽致。正是在他这般细致入微的塑造之下，剧中经过全新演绎的严世番这一人物显得更加丰满立体，充满了真实而动人的血肉感。