2007年，张殿伦参演陈奕利执导的动作电影《天堂口》而出道，在片中饰演细眼。

2008年，张殿伦与潘虹、胡静合作出演年代励志剧《女人的战争》，剧中饰演赵小三。

2009年，张殿伦出演谍战剧《决战南京》，在剧中饰演中共卧底陈松林。

2010年，参演家庭伦理剧《婚姻那些事儿》，张殿伦在剧中饰演有志青年陈逸凡。同年出演黄文利执导的励志剧《我的父亲是板凳》，在剧中饰演性格朴实的阎队长。

2012年9月，张殿伦与朱泳腾、戴娇倩等出演抗战电视剧《我的抗战》，在剧中饰演玩世不恭却又心底善良、身怀绝技的爆破手吴影。同年与李晨、张译合作出演抗战剧《好家伙》，剧中饰演潜伏在好家伙时光身边的神秘猎手九宫。同年参演抗战电视剧《我的抗战之猎豹突击》。

2013年，张殿伦与翟天临主演励志警匪剧《刑警博客》，剧中饰演一位狠劲十足的黑社会头目魏东。 8月30日，张殿伦与王宝强、高天主演喜剧电影《疯狂的导演》正式上映，片中张殿伦饰演游说在各色投资人中的制作人。

2014年1月16日，张殿伦与刘恺威、隋俊波出演谍战剧《 喋血孤岛》，在剧中饰演戏班的大师兄，一个帝婴计划牺牲品的秋生。同年张殿伦客串田羽生执导的喜剧电影《前任攻略》。 5月23日，张殿伦与蓝正龙、程峻合作出演悬疑爱情片《爱的频率》。6月11日，张殿伦出演的近代革命电视剧《十送红军》，剧中饰演一个楷模战士邓秋生。11月与朱泳腾、刘恺威合作出演年代抗日电视剧《你的传奇之危机四伏》，在剧中饰演亦正亦邪的魏家传人魏启明。

2015年，张殿伦出演田羽生执导的喜剧电影《前任2:备胎反击战》，在片中饰演波比。同年与陈赫、甘婷婷搭档出演了都市励志偶像剧《明星兄弟》，在剧中饰演雷子。

2018年5月19日，作为上戏04级“人气班”成员参与录制东方卫视体验型励志综艺节目《青春同学会》。