2000年，张政勇还在广州美术学院油画系读书，在校期间被选中参演古装剧《少年包青天》，在其中“翻龙劫”单元饰演京城六扇门捕头利小刀，从此踏足演艺圈 。2001年，参加第九届新丝路中国模特大赛，荣获华南区十佳男模 。2003年，与章子怡搭档拍摄《南方高科》手机广告，该广告荣获“亚洲最佳创意奖” 。之后因为章子怡的推荐，参演了张艺谋执导的电影《十面埋伏》，出演八队武士 ；同年参演古装剧《隋唐英雄传》，饰演反派宇文成都 。2004年，参演古装剧《神雕侠侣》，饰演天竺国高手尼摩星；同年在抗战剧《敌后武工队》中饰演白衣神枪刘太生，该剧荣获全军电视剧“金星奖”长篇电视剧三等奖 。 2005年，参加第一届香港亚洲先生竞选，获得“最佳秀发”单项奖 。同年参演当代军旅题材轻喜剧《狼烟再起》，饰演志愿兵刘铁山 。2006年，参演战争剧《雄关漫道》，饰演红军电台队队长周昌 。同年在励志爱情喜剧《超级男女》中友情客串出演世界散打冠军吉米 ；8月参演数字电影《风筝的故事》，饰演青年画家齐老师 。之后进入中央戏剧学院导演系深造，攻读表演 。在中戏深造期间，被导演杨文军选中出演抗战剧《记忆之城》，饰演日本军官一木清直，该剧荣获全军电视剧金星奖长篇电视剧二等奖、金鹰奖最佳电视剧提名奖 。2007年，搭档吴秀波出演年代传奇剧《兄弟门》，饰演查理 。之后在电影《杨成武强攻东团堡》中饰演八路军战士于勇 ；同年11月出演抗日谍战剧《狐步谍影》，饰演英国特工彼德，该剧荣获第13届新加坡电视节“亚洲最佳电视剧”提名奖 。2008年，出演抗战剧《十三省》，饰演抗联战士七省赵景海 。同年8月在谍战剧《浴血记者》中饰演战地记者潘之浩；10月主演数字电影《心桥》，出演男一号--武警干事李军 ；11月出演战争题材电视剧《进城-解放上海》，饰演国民党军官蓝正红 。 2009年，搭档文章主演抗战剧《雪豹》，饰演八路军特战队员杨大力，该剧荣获第26届中国电视金鹰奖优秀电视剧奖 。2010年，参演抗战题材电视剧《小小飞虎队》，饰演飞虎队大队长刘洪，该剧荣获第十二届五个一工程奖、第29届中国电视剧飞天奖少儿电视剧三等奖、第26届中国电视金鹰奖最佳电视剧提名奖 。2011年，主演数字微电影《音越》，饰演音乐家ALEX 。同年3月出演年代传奇剧《汉口码头》，饰演码头工人黑皮 ；11月出演电影《小小飞虎队》，饰演飞虎队大队长刘洪 。2012年，出演战争剧《雳剑》，饰演新四军军人王宝财 。同年4月友情客串出演抗战剧《苍狼》，饰演国民党将领黄维刚 ；9月出演抗战悬疑剧《出关》，饰演国民党营长大骆驼 。 2013年，友情客串出演抗战剧《穿越烽火线》，饰演八路军战士沈大柱 ；同年3月至4月间拍摄《乐源能量王》、《中国农业银行》两部电视广告 ；10月参演抗战剧《秘密小分队》，饰演八路军某连指导员苏侠 ；10月13日出席上海《外滩画报》第六届“美丽天使”暨“外滩绅士”封面模特大赛颁奖盛典，担任颁奖嘉宾 。2014年，出演抗日谍战剧《省港大营救》，饰演东江游击队队长吴黑仔 。同年8月做客电视访谈节目《影视界》 ；12月做客广西卫视鉴宝节目《收藏马未都》 。2015年，搭档王千源主演金融谍战剧《滨城硝烟》，饰演国民党军统行动队队长宋孝严 。同年12月出演年代传奇剧《陈炉古镇》，饰演保安团团长金大奎 。2016年，主演剿匪枪战电影《7把枪》，出演男一号--剿匪英雄王洪合 。同年5月参演武警特战题材电视剧《利刃出击》，饰演武警特战训练营教官山豹 。