2003年，张颂文出演了都市罪案电视连续剧《爱的代价》 。

2004年，应南方电视台的要求，张颂文临时为情景喜剧电视剧《乘龙怪婿》成立了“表演速成班”，这也是他第一次做表演指导。

2005年，主演肖丹、 郭昊明执导的情景喜剧电视剧《乘龙怪婿》，在剧中饰演男一号贾发。

2006年，出演魏翰涛执导的中国首部北魏时期历史古装电视剧《北魏冯太后》，在剧中饰演北魏时期的宦官首领王遇。

2007年，出演鞠觉亮执导的古装动作电视剧《霍元甲》，在剧中饰演霍元甲一生中最重要的挚友——精神领袖农劲荪。同年，主演管虎执导的悬疑电视连续剧《第二面》，在剧中饰演男一号马明心。

2008年，张颂文离开北京电影学院，成立了“张颂文国际表演工作室”，致力于影视表演技巧及方法派表演的研究。 同年，出演张纪中执导的历史、古装电视剧《兵圣》，在剧中饰演吴王夫差。

2009年，与黄秋生、殷桃等人合作出演尤小刚执导的大型历史题材电视剧《杨贵妃秘史》，在剧中塑造了杨国忠一角年12月，张颂文将工作重心转移到大银幕。

2010年，出演刘伟强执导的动作电影《精武风云》，在片中饰演文仔这一角色。同年10月，宁浩导演和小马奔腾公司合作举办了演员培训班，邀请张颂文做了表演指导。

2011年，主演刘伟强、钱文锜执导的爱情电影《不再让你孤单》，在片中饰演朱天。与徐峥、张子枫合作主演邵晓黎、杜鹏执导的喜剧电影《摩登年代》，在片中饰演反派角色魏建。同年，还担任陈正道拍摄的电影《幸福额度》的表演指导。陈正道导演携林志玲、廖凡参与录制《鲁豫有约》节目，张颂文也被邀请，并现场展现指导功力。

2012年5月，主演宁浩执导的喜剧、动作电影《黄金大劫案》，在片中饰演溥晓彤。同年7月，与周润发、吴镇宇、黄晓明等人合作出演王晶执导的年代、历史、爱情电影《大上海》，在片中饰演包云龙。同年8月，主演邱礼涛执导的武打、剧情电影《叶问终极一战》，在片中饰演叶问之子叶准。

2013年，为孔二狗执导的处女作电影《大嘴巴子》担任表演指导。

2014年，与陈赫、姚星彤、常远等人合作主演了由侯亮执导的青春、喜剧电影《一路向前》，在片中饰演黎博士 [35]  。与孙坚、白冰、潘霜霜等人合作主演侯亮执导的悬疑、喜剧电影《谎言大爆炸》，在片中饰演涉黑团伙头目高凯。同年12月，张颂文还主演了由黄百鸣和邱礼涛联合执导的侦探、喜剧、爱情电影《神探驾到》 ，在片中饰演祁世兴。

2015年5月，参演常征执导的科幻、悬疑微电影《沉默基因》，在片中饰演男主角方闻达。同年，参演了由邝庭和执导的青春、情感电影《选择游戏》，在片中饰演刘总。

2016年3月，张颂文应邀出演了由娄烨执导、张家鲁监制的悬疑、剧情电影《地狱恋人》（又名《风中有朵雨做的云》）。同年7月，主演了由周全执导，张家振监制，与谭卓、顾宝明、荣梓杉、董晴等人合作的情感电影《那年的夏天》，后更名为《西小河的夏天》，该电影获得了2015年第13届香港亚洲电影投资会最高奖。同年8月，受邀主演了由李小江执导、陈飞监制的喜剧电影《夏天只是一天》，该影片入围2016年上海国际电影节“青年导演计划”。

2017年8月31日，第二十二届釜山国际电影节宣布《西小河的夏天》入围新浪潮竞赛单元，将与其他入围影片一起角逐新浪潮奖；10月12日，张颂文受邀与《西小河的夏天》众主创一起出席当天在釜山海云台举办的第二十二届韩国釜山国际电影节开幕红毯仪式；10月13日，张颂文与该片女主演谭卓接受腾讯视频专访；10月14日晚，《西小河的夏天》在釜山举行全球首映；10月21日，第二十二届釜山国际电影节闭幕，组委会公布获奖名单，《西小河的夏天》喜获“KNN观众奖”--最受观众喜爱电影奖，成为本届电影节唯一一部获奖华语片。2018年4月，《西小河的夏天》接连入围第8届北京国际电影节“注目未来”单元和第25届北京大学生电影节主竞赛单元。同年5月25日，该片正式登陆全国院线。2018年9月，《西小河的夏天》入围第十四届中国长春电影节金鹿奖，将与其他十四部入围影片一起角逐最终的十个奖项。9月8日晚，第十四届长春电影节在长春五环体育馆圆满落下帷幕，张颂文凭借在电影《西小河的夏天》中的精彩表现，