1980年，童年時期的張震參演了由宋項如執導，胡慧中主演的愛情電影《三角習題》 ?。

　　1991年，15歲的張震出演了由楊德昌執導的愛情片《牯嶺街少年殺人事件》 ?，在片中飾演沉默寡言但倔強的主人公小四兒，并憑借該片提名第28屆臺灣電影金馬獎最佳男主角 ?。

　　1996年，再次與楊德昌導演合作，出演其執導的喜劇片《麻將》 ?；8月23日，發行個人首張EP《張震就是張震》；12月31日，發行首張專輯《一走了之》，其中收錄了插曲《真相大白》、《無法逃避》等在內的十首歌曲。

　　1997年，與張國榮、梁朝偉合作出演由王家衛執導的文藝片《春光乍泄》 ?，在片中飾演周游世界的臺灣青年張宛，并憑借該片提名第17屆香港電影金像獎最佳男配角 ?。

　　2000年，與周潤發合作出演由李安執導的武俠動作片《臥虎藏龍》，飾演直爽深情的羅小虎，并憑借該片提名第20屆香港電影金像獎最佳男配角 ?。

　　2001年，在愛情片《愛你愛我》中飾演男主角Feng ?。2002年，張震主演了由劉鎮偉執導，王家衛監制的愛情喜劇片《天下無雙》，在片中飾演正德皇帝朱厚照 ?。

　　2003年，與梁朝偉、楊千嬅合作主演了愛情片《地下鐵》，在片中飾演普通的上班族阿杰 ?。2004年，與梁朝偉、鞏俐合作出演由王家衛執導的劇情片《2046》，在片中飾演一個樂團鼓手 ?；12月30日，張震與小羅伯特·唐尼主演的愛情片《愛神》上映，他在片中飾演作學徒的張裁縫 ?。

　　2005年，與舒淇合作出演了由侯孝賢執導的愛情片《最好的時光》，而該片則入圍了法國戛納國際電影節競賽單元，張震個人也憑借該片角逐最佳男主角，并提名第42屆臺灣電影金馬獎最佳男主角 ?。

　　2006年，主演蘇照彬執導的科幻驚悚片《詭絲》，飾演憂郁的警探葉起東 ?；同年，主演田壯壯執導的劇情片《吳清源》，飾演圍棋大師吳清源 ?，張震為了該片專門學習日文與圍棋，他還憑借該片提名第43屆臺灣電影金馬獎最佳男主角，角逐意大利羅馬電影節競賽單元最佳男主角 ?，并在2008年第三屆大阪電影節上獲得最佳男主角獎，成為大阪電影節上首位獲獎的華人演員 ?。

　　2007年4月26日，張震主演的劇情片《呼吸》在韓國上映，他在片中挑戰出演無任何臺詞的角色，飾演了性格暴烈、因自殺未遂而失去了說話能力的死囚張真。而該片則由金基德執導并入圍了第60屆戛納國際電影節主競賽單元 ?；同年，與吳彥祖、劉燁合作出演了動作片《天堂口》，在片中飾演外表冷酷無情但實際情感豐富的殺手馬克 ?。

　　2008年，張震主演了由吳宇森執導的戰爭片《赤壁》系列，飾演優柔寡斷的孫權 ?；同年，在徐克執導的驚悚片《深海尋人》中飾演精神病患者Simon ?。

　　2009年1月7日，張震主演的戰爭歷史片《赤壁（下）》上映，并憑借該片提名第29屆香港電影金像獎最佳男配角。而隨著電影的完結，該系列電影的總票房達5.8億 ?；同年，在愛情片《藍色矢車菊》中飾演留學歸來的富家公子威廉 ?；同年，張震參與功夫電影《一代宗師》的拍攝，并跟隨八極拳第八代傳人王世泉學習內家拳法 ?。

　　2010年，主演喜劇片《財神到》飾演鋼琴師程雨 ?。2011年6月15日，張震參演的建黨90周年獻禮片《建黨偉業》上映，他在片中飾演蔣介石 ?。

　　2012年11月29日，張震主演的歷史戰爭片《王的盛宴》上映，飾演生逢亂世卻心思單純的韓信 ?；同年，參演劇情片《昨日的記憶》，與隋棠在片中飾演一對無緣的情侶 ?。

　　2013年1月8日，張震主演的動作劇情片《一代宗師》上映，他在片中飾演性格豪邁熱血的一線天 ?；同年，在李芳芳編劇并執導的戰爭愛情片《無問西東》中飾演張果果 ?。

　　2014年8月7日，張震主演的古裝武俠片《繡春刀》上映，他在片中飾演述職錦衣衛卻不得志默默無名的沈煉，而張震個人則憑借該片提名第51屆臺灣電影金馬獎最佳男主角 ?。

　　2015年1月8日，張震主演的《一代宗師》3D版于中國內地上映 ?；同年，張震登上羊年春晚，并表演武術節目《江山如畫》 ?；4月30日，其主演的動作片《赤道》上映，飾演國際頭號通緝犯金燾年 ?；7月2日，張震主演的由陳凱歌執導的奇幻冒險喜劇片《道士下山》上映，他在片中飾演深藏不露的宗師級高手查老板；8月27日，其主演的古裝動作片《刺客聶隱娘》上映，飾演性情暴虐多變、內心復雜的田季安 ?。

　　2016年，主演武俠動作片《繡春刀·修羅戰場》，飾演北鎮撫司錦衣衛沈煉 ?；9月，出演陳哲藝執導的《金馬53》年度廣告 ?；11月，與廖凡、倪妮合作出演了冒險電影《雪暴》 ?。