1995年，张子健出演武侠剧《白眉大侠》，在剧中饰演紫面金刚王顺，从此开启了演艺之路。1996年，主演武侠剧《甘十九妹》，在剧中饰演岳阳门记室弟子，武林七修老三尹雁翎之子尹剑平。因为没有武术功底，张子健为了拍摄该剧，回到天津体工大队学了一个月武术。同年，主演都市励志剧《燃情四季》，在剧中饰演青年服装设计师曲平。1997年，在古装历史剧《寇老西儿》中饰演宋朝第三代皇帝宋真宗。1998年，在校园青春爱情剧《表演系的故事》中饰演赵扬。1999年，参演由钱雁秋执导的都市剧《挚爱》，在剧中饰演韩凌。

2001年，主演由钱雁秋执导的电视剧《英雄》，在剧中饰演身负血仇的青年燕双鹰。2002年，参演大学同学兼好友管虎执导的电视剧《冬至》。2004年，与梁冠华、吕中共同主演探案悬疑剧《神探狄仁杰第一部》饰演甘南道游击将军李元芳。2005年，与梁静、施京明丛珊共同主演刑侦剧《绝胜天良》，在剧中饰演某部队文艺战士雪山。

2006年，主演探案悬疑剧《神探狄仁杰第二部》，在剧中饰演检校鹰扬卫中郎将李元芳。同年，与许亚军、原华、陈丽娜共同主演都市情感剧《婚姻密码》，在剧中饰演痴情化学教授迟鸣。同年，与吴京、商蓉共同主演古装言情剧《鼓上蚤时迁》，剧中饰演祝家庄教头栾廷玉。2007年，与杨幂、陈思诚、刘德凯共同主演古装剧《王昭君》，在剧中饰演王昭君家乡县令张子先。同年，与郭金、范雨林共同主演警匪剧《第一速度》，剧中饰演缉毒大队长齐浩南。同年，与金鑫、刘婉婷共同主演刑侦剧《案发现场Ⅱ》，在剧中饰演刑警队队长郭子健。同年，与陈宝国、黄志忠、王庆祥共同主演古装历史剧《大明王朝1566》，在剧中饰演李时珍。

2008年，主演探案悬疑剧《神探狄仁杰第三部》，在剧中饰演检校千牛卫大将军李元芳。2009年，与梁冠华和曲栅栅共同主演反特剧《猎鹰1949》，在剧中饰演解放军特务营营长燕双鹰。同年，与鲍国安、沈晓海共同主演古装历史剧《开创盛世》，剧中饰演太子李建成。同年，参演由陈小艺、张嘉译主演的年代剧《采桑子之妻室儿女》，剧中饰演皇家建筑世家传人廖世基。2010年，与俞飞鸿、高鑫、左小青共同主演年代剧《香气迷人》，在剧中饰演化学工程师方正文。同年，与陆毅、陈好、鲍国安共同主演古装历史剧《大槐树》，在剧中饰演移民钦差苏佩文。

2011年，与张嘉译、罗海琼和颜丙燕共同主演谍战剧《借枪》，在剧中饰演法租界警察安德森；同年，主演由钱雁秋执导谍战剧《飞虎神鹰》，在剧中饰演打入敌人内部的共产党员卧底燕双鹰；同年2月，与梁冠华、曲栅栅和吕中共同主演探案悬疑剧《神断狄仁杰》饰演检校千牛卫大将军李元芳。同年，与寇世勋、吴京安、毕彦君共同主演古装历史剧《大秦直道》，剧中饰演丞相李斯。

2012年，主演由钱雁秋执导的抗日剧《孤岛飞鹰》，在剧中饰演猎鹰暗杀队队长燕双鹰 。同年9月，主演由钱雁秋执导的谍战剧《大漠枪神》，在剧中饰演身负血仇的青年燕双鹰；同年，与梁冠华和刘蕾共同主演抗战剧《平原烽火》，在剧中饰演草莽英雄罗金宝，并担任该剧导演之一，同年，友情出演都市情感剧《婚巢》，在剧中饰演骗子柏大兵。同年，主演由朱传光执导的都市情感喜剧《男人不坏》，剧中饰演保险公司业务员边红旗。同年“元芳体”走红。同年，担任山东卫视《天下父母》系列节目的主持人。

2013年，与于震、淳于珊珊和曲栅栅共同主演探案悬疑剧《神探包青天》，在剧中分别饰演“包铁山”与“包拯”父子两角。同年，参演由高晓松执导的公益短片《地球来信了》，在影片中饰演路边散步行人元芳。

2014年8月，与刘威葳和张帆共同主演主演谍战剧《操纵者》， 在剧中饰演数学天才苏文 ；9月，与六小龄童、刘德凯共同主演神话剧《石敢当之雄峙天东》，在剧中饰演泰山石圣石敢当；11月，与贺刚、梁琳琳共同主演抗日剧《飞虎队》，在剧中饰演铁道游击队队长刘洪；11月17日，与吕佳容共同主演抗战剧《热血》，在剧中饰演革命导师秦昊。

2015年9月，在姚晓峰执导的都市爱情喜剧《小丈夫》中饰演派出所长孙志安。10月，主演由国建勇、谢泽执导的古装剧《惊天岳雷》，在剧中饰演南宋奸臣秦桧；11月27日，主演由钱雁秋执导的反特剧《津门飞鹰》，在剧中饰演解放军特务营营长燕双鹰。

2016年，主演由林妍执导的都市轻喜剧《我的！体育老师》，在剧中饰演房地产商人赵岭；同年，友情出演由崔亮执导的谍战剧《暗刃》，在剧中饰演军统情报局局长萧楚寒。同年，参演由杨珊珊执导的科幻电影《超时空追凶》，在影片中饰演公安局长；11月，与孙淳、张雯和任天野共同主演抗战剧《民族记忆》，在剧中饰演蒋介石高级侍从和高级参谋（共产党卧底）关山度。

2017年3月，主演张辉力执导的军旅剧《军人使命》，在剧中饰演南国边境毒枭青陶；4月，与刘奕君、姜武共同主演年代剧《上海五虎》，在剧中饰演上海公安局长钱正东。9月，与杨志刚、寇世勋、倪虹洁共同主演年代剧《勇敢的心2》，在剧中饰演亦正亦邪的上海滩枭雄欧阳正德。这是16年签约《完美建信》后，首次与郭靖宇导演团队合作；12月，主演由钱雁秋执导的武侠悬疑推理剧《秋官课院之狄仁杰浮世传奇》，在剧中饰演一个绝迹于江湖二十余载的神秘势力组织幕后操纵者的外族王爷铁王爷 。

2018年4月，与石兆琪、王雨甜共同主演公安边防缉毒题材电影《利刃破冰》，在片中饰演公安边防缉毒队队长林浩然。同年10月，主演由戴冰执导的年代剧《库尔班大叔和他的子孙们》，在剧中饰演人民解放军指导员柯有田。

2019年1月，与李崇霄共同主演都市情感单元剧《爱的品格》，在剧中饰演日系时尚大叔樊华。同年年3月，与唐国强、刘劲共同主演的革命历史片《决胜时刻》，在片中饰演中共李克农。同年9月，与杨志刚、岳丽娜、赵恒煊等共同主演年代乡村剧《最美的乡村》，在剧中饰演那家沟村支书那文斌 。同年11月，与朱亚文、万茜、张萌等共同主演都市商战剧《商业调查师》，在剧中饰演大boss秦克。