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胡一天大学毕业后，本过着朝九晚五的生活，此后在朋友的建议下改行进入模特行业，完全没有经过专业培训的他只用了两个月就接拍了多个品牌广告，后因一个偶然的机会而被华策影视挖掘，由此进入演艺圈。
2016年，胡一天出演《猫的树》系列微电影。同年，他因出演由郭敬明监制的青春偶像剧《夏至未至》，在剧中饰演欧俊一角，正式出道。
2017年，胡一天首次担任男主角，主演青春爱情剧《致我们单纯的小美好》，在剧中饰演外冷内热的傲娇医生江辰，并演唱了片尾曲《是梦吧》，凭借该剧获得腾讯视频星光大赏年度潜力电视剧男演员奖。12月，参加湖南卫视《快乐大本营》的录制。
2018年，加盟悬念式户外真人秀《二十四小时》第三季担任常驻嘉宾，展开趣味挑战与文化交流之旅；同年3月，加盟甜萌梦幻爱情剧《亲爱的，热爱的》，在剧中特别出演K&K战队队长、计算机天才吴白（Dt）；同年7月，主演张赫洋导演电视剧《青春须早为》饰演90后创业达人“郑乾”。同年11月参演由作家八月长安同名小说改编的电视剧《暗恋橘生淮南》，饰演男主角盛淮南。
2019年，搭档张云龙、肖燕等主演超级剧集《民国奇探》，在剧中饰演从英国留学归来的纨绔公子路垚。
2020年，根据古龙同名小说改编的古装武侠剧《绝代双骄》在中央电视台电视剧频道播出，胡一天在剧中饰演男主角花无缺；5月，在电视剧《亲爱的，挚爱的》中饰演男主角吴白；同年，出演《你好神枪手》饰演天才枪手沈清源。10月20日，由中国视协演员工作委员会主办的第七届“中国电视好演员”网络投票结果公布，胡一天获得中国电视好演员优秀演员（绿组男演员）。12月2日，参演的电视剧《小风暴之时间的玫瑰》播出，在剧中饰演高山。
亲爱的，挚爱的2021饰演吴白导演于中中主演李一桐
暗恋橘生淮南2021饰演盛淮南导演李木戈主演胡冰卿
青春须早为2020饰演郑乾导演张赫洋主演钟楚曦
小风暴之时间的玫瑰2020-12-2饰演高山导演成志超主演乔欣
民国奇探2020-03-24饰演路垚导演张伟克主演张云龙、肖燕
绝代双骄2020-01-16饰演花无缺导演邹集城主演陈哲远、梁婧娴
亲爱的，热爱的2019-07-09饰演吴白导演项旭晶主演杨紫、李现
致我们单纯的小美好2017-11-09饰演江辰导演杨龙主演沈月、孙宁、高至霆
夏至未至2017-06-11饰演欧俊导演韩洋主演郑爽、陈学冬、白敬亭
是梦吧2017-11-02《致我们单纯的小美好》的片尾曲
2016年《猫的树》
2018-01-01 【2017国剧盛典】青春网络新生代奖 致我们单纯的小美好 （获奖）
2017-12-03 【腾讯视频星光大赏】年度潜力电视剧男演员奖 致我们单纯的小美好 （获奖）
2019-12-6 【2020爱奇艺尖叫之夜】年度戏剧潜力艺人 亲爱的，热爱的 （获奖）
2020-10-20 【第七届中国电视好演员奖】中国电视好演员优秀演员（绿组男演员）（获奖）
2017-12-18 【2017COSMO时尚美丽盛典】年度美丽偶像 （获奖）
2019-1-11 【荔枝年度盛典】2018荔枝年度声魅大咖 （获奖）
2018-10-25 【时装年度盛典】时代感染力奖 （获奖）
2019-12-3 【2019COSMO时尚美丽盛典】传承·爱年度人物 （获奖）
2019-10-17 【福布斯】2019福布斯中国30岁以下精英榜2019福布斯中国30岁以下精英榜 （获奖）
胡一天颜值颇高，清新的独特气质让其在出道之初便给人们留下了深刻印象。他在电视剧《致我们单纯的小美好》中职业造型成熟且简约，校服、白大褂、精致西装轮番上阵，每一种造型尽展清新男神本色，很到位地还原了江辰这一角色（网易娱乐评）。
胡一天在电视剧《夏至未至》中的惊鸿一瞥给观众们留下了深刻的印象。他外形清新，又是典型的摩羯座性格，外冷内热的特点与他在电视剧《致我们单纯的小美好》所饰演的江辰一角不谋而合，到位呈现国民校草的高冷与傲娇，剧迷纷纷表示他就是人们心里的江辰、像是从书中走出来一样。胡一天还演唱了电视剧片尾曲《是梦吧》，用低音炮嗓音唱出了歌曲背后的深情婉转，剖析出角色的细腻心事，可以说是一个颜艺、演艺、歌艺俱佳的大男孩（腾讯娱乐评）。
