2012年4月8日，以EXO团体和其子队EXO-M中国成员身份正式出道；12月29日，作为唯一的中国籍主舞与SM旗下男子组合中的舞蹈精英集结成“SM7”，参与SBS歌谣大战S.M. The Performance特别舞台的演出。2013年12月，EXO以圣诞特别专辑《十二月的奇迹》回归，而张艺兴在舞台上的钢琴演奏则获得媒体和专业音乐人的认可。2014年5月23日，在EXO首尔演唱会中公开自作曲《I’m Lay》；6月起，以个人名义在中国国内进行活动，先后主持《音乐风云榜》、《全球中文音乐榜上榜》，并参加录制《星厨驾到》、《星星的密室》及《年代秀》等综艺节目。2015年5月13日，以固定嘉宾的身份加盟东方卫视励志体验真人秀节目《极限挑战》；11月6日，特别出演的爱情喜剧片《前任2：备胎反击战》播出；12月4日，主演的首部大荧幕作品《从天儿降》上映。12月18日，确认主演时尚爱情喜剧电影《闭嘴！爱吧》。2016年1月15日，主演的喜剧悬疑片《极限挑战》上映；5月31日，参演个人首部都市情感剧《好先生》；7月4日，主演的民国悬疑剧《老九门》播出；10月20日，继续主演民国悬疑片《老九门番外之二月花开》；10月28日，发行个人首张创作专辑《LOSE CONTROL》。2017年1月27日，首次登上央视春晚舞台；4月24日，与陈都灵合作主演的校园青春偶像剧《求婚大作战》首播；7月27日，参演的战争片《建军大业》上映；9月17日，确定主演电视剧《黄金瞳》；9月25日，发行先行曲《I NEED U》并宣布回归乐坛；10月7日，发行第二张个人专辑《SHEEP》。2018年1月，与汤唯、朱亚文合作主演古装宫廷剧《大明风华》；19日，参加爱奇艺综艺节目《偶像练习生》。4月，参演由黄渤执导的电影《一出好戏》。同年，发行第三张个人专辑《梦不落雨林》。2019年1月8日，担任综艺节目《青春有你》青春制作人代表；5月15日，参加亚洲文化嘉年华，作为亚洲代表表演《青春亚洲》；6月14日发布专辑《HONEY》。2020年3月18日，发行单曲《最美风景线》；4月，加盟优酷综艺《少年之名》，24日，发布单曲《爱莲说(Live)》。5月3日，发行单曲《不屈的信仰》。同年，加盟《这！就是街舞第三季》，担任队长。2021年4月23日，参加的综艺节目《向往的生活第五季》播出；5月4日，参演的电视剧《理想照耀中国》播出；8月9日，与孙红雷、刘奕君主演的电视剧《扫黑风暴》开播。11月25日，发布单曲《陪着你(Bee With You)》。2022年2月23日，主演的都市情感剧《相逢时节》播出。