1980年，童年时期参演了宋项如执导，胡慧中主演的电影《三角习题》 。1991年，15岁时主演第一部电影《牯岭街少年杀人事件》 ，该片由台湾杨德昌执导，张震与父亲、哥哥一同演出，凭借该片提名第28届台湾电影金马奖最佳男主角，成为有史以来最年轻的入围者 。1996年，与柯宇纶主演杨德昌执导的喜剧片《麻将》 。1997年，与张国荣、梁朝伟主演王家卫执导的经典文艺电影《春光乍泄》 ，在片中饰演张宛，还凭此片角逐法国戛纳国际电影节最佳男主角，提名第17届香港电影金像奖最佳男配角 。2000年，参演李安执导，周润发、杨紫琼、章子怡主演的武侠电影《卧虎藏龙》 ，获得2001年第20届香港电影金像奖最佳男配角提名 。2001年，与戴立忍、李心洁主演，林正戴执导的爱情片《爱你爱我》。凭借此片角逐德国柏林国际电影节最佳男主角 。2002年，参演刘镇伟执导，王家卫监制，王菲、赵薇、梁朝伟主演的爱情喜剧电影《天下无双》，在片中饰演正德皇帝朱厚照 。2003年，与梁朝伟、杨千嬅共同主演爱情电影《地下铁》 。 2004年，参演王家卫执导，梁朝伟、木村拓哉、章子怡领衔主演的电影《2046》 。2005年，凭与舒淇主演的电影《最好的时光》角逐法国戛纳国际电影节竞赛单元最佳男主角，并提名第42届台湾电影金马奖最佳男主角 。2006年，主演苏照彬执导的科幻惊悚片《诡丝》，该片是台湾电影史上花费最大的影片 。同年主演田壮壮导演执导的影片《吴清源》 ，凭借此片提名第43届台湾电影金马奖最佳男主角，角逐意大利罗马电影节竞赛单元最佳男主角 ，并在2008年第三届大阪电影节上，击败《通天塔》的布莱德·皮特、《窃听风暴》的乌里希穆埃，勇夺外语片最佳男主角奖，成为大阪电影节上首位获奖的华人演员 。2007年，参演吴彦祖、舒淇、刘烨主演的动作战争剧《天堂口》 。 2008年，参演吴宇森执导，梁朝伟、金城武、林志玲主演的史诗电影《赤壁》 ，并凭借《赤壁2：决战天下》提名第29届香港电影金像奖最佳男配角 。同年在徐克导演的惊悚片《深海寻人》中饰演精神病患者Simon 。2009年，与方中信、范文芳、江一燕主演爱情电影《蓝色矢车菊》 。同年在拍摄《一代宗师》前 ，经王家卫引荐，跟随八极拳第八代传人王世泉学习内家拳法 。2010年，与谭咏麟 、张雨绮主演喜剧电影《财神到》 。2011年，在建党90周年献礼片《建党伟业》中饰演蒋介石 。2012年的12月初，张震奉师父之命参加了由吉林省武术运动协会主办的“神枪杯”八极拳中获得青年组一等奖 。同年在陆川执导的历史战争剧《王的盛宴》中饰演汉初三杰之一的韩信 。与隋棠、郭雨传义务出演关怀失智老人的电影《昨日的记忆》 。2013年，在李芳芳编剧并执导，与章子怡、黄晓明、王力宏、陈楚生联袂主演励志片《无问西东》，在剧中饰演张果果 。2014年，与刘诗诗、王千源、李东学主演爱情悬疑剧《飞鱼服绣春刀》 。2015年，张震和吴京加盟2015年羊年春晚，表演以“讲中国故事，展中国精神，共度中国年”为宗旨的武术节目《江山如画》 。2016年电影《绣春刀：修罗场》立项在案，而沈炼的扮演者、前作男主角张震也将回归 。