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2009年，因一次偶然机会出演了影视处女作《落樱》。此后，她以广告模特身份踏入演艺圈。
2013年，开始正式出演电视剧作品，出演了由海清、张译主演的都市生活轻喜剧《抹布女也有春天》；而其参演的都市婚恋轻喜剧《老公的春天》也于同年播出。
2014年9月，主演的网络情景喜剧《怪咖啡》播出；12月，与孙红雷、海清等人合作出演的抗战剧《二炮手》上星播出，而与孙红雷的对手戏则使她受到了颇多关注，她亦凭借该剧在次年获得了横店影视节暨第2届文荣奖最佳女配角奖。
2015年，与朴海镇、张亮、薛之谦等人合作出演了现代都市男人剧《男人帮·朋友》；12月，领衔主演的古装穿越剧《太子妃升职记》播出，该剧收官时网络播放量达到了26亿次，张天爱个人也因此成为了诸多媒体的娱乐头条，并赢得了广泛关注。
2016年6月7日，主演的都市爱情剧《我的朋友陈白露小姐》播出。8月29日，发布个人首支音乐单曲《我们之间》。9月29日，主演的爱情片处女作《从你的全世界路过》上映；同年，领衔主演了古装玄幻动作剧《武动乾坤之英雄出少年》。
2017年7月21日，主演的现代喜剧片《父子雄兵》上映；随后，与众多艺人共同出演的建军90周年献礼片《建军大业》在全国公映，而她也凭借此剧获得了第34届大众电影百花奖最佳女配角奖提名；同年，与张若昀搭档主演了都市爱情轻喜剧《爱情进化论》。
2018年，主演了都市励志轻喜剧《最灿烂的我们》；8月，与王大陆搭档主演的古装奇幻动作片《鲛珠传》在全国上映。
2019年8月25日，作为常驻嘉宾参加的减肥生活真人秀节目《哎呀好身材》开播；9月30日，与张涵予、袁泉等合作主演的现代灾难片《中国机长》上映；10月，入围第六届“中国电视好演员”绿组女演员候选名单；11月18日，领衔主演的青春励志剧《鳄鱼与牙签鸟》开播。
2020年1月24日，首次参加了中央广播电视总台春节联欢晚会；4月，在播出的古装传奇剧《清平乐》中客串饰演了宋仁宗的心仪之人陈熙春；9月29日，主演的抗疫题材时代报告剧《在一起》之《生命的拐点》播出。
2021年5月14日，主演的都市爱情励志剧《我的漂亮朋友》播出；随后，以固定嘉宾身份参加的女性真人秀《姐妹俱乐部》播出；8月29日，领衔主演的古装爱情剧《阿麦从军》开机；10月1日，主演的电影《我和我的父辈》之《乘风》上映；11月4日，与陈坤搭档主演的现代军旅剧《和平之舟》于央视综合频道播出；12月15日，张天爱特邀主演的古装传奇剧《雪中悍刀行》播出。
《太子妃升职记》、《雪中悍刀行》、《我的漂亮朋友》、《阿麦从军》、《武动乾坤之英雄出少年》、《鳄鱼与牙签鸟》、《我的朋友陈白露小姐》、《二炮手2014》、《爱情进化论》、《清平乐》、《在一起》、《和平之舟》等。
《鲛珠传》、《我和我的父辈(《乘风》单元)》、《中国医生》、《中国机长》、《建军大业20》、《从你的全世界路过》、《父子雄兵》、《妖猫传》等。
《我们之间》、《说到做到》、《强国一代有我在》。
《姐妹俱乐部》、《念念桃花源》、《哎呀好身材》、《勇敢的世界》。
2015年，获第2届横店影视文荣奖最佳女配角。
2016年，获第1届金骨朵奖网络剧最佳女主角。
2016年，获第1届金骨朵奖微博FANS选择人气剧星。
2016年，提名第19届华鼎奖中国百强电视剧最佳新锐演员。
2018年，提名第34届大众电影百花奖最佳女配角奖。
2018年，获全国向上向善崇义友善好青年。
2016年，获“年轻的选择”优酷盛典年度炸屏艺人。
2016年，获COSMO时尚美丽盛典年度飞跃偶像。
2016年，获第1届粉丝嘉年华明星势力榜年度人物。
2016年，获时装之夜年度最具实力演员。
2016年，获第1届移动视频风云盛典年度魅力女性。
2017年，获微博之夜年度人气艺人。
2017年，获中国原创文学风云榜年度最受欢迎演员。
2017年，获COSMO时尚美丽盛典年度美丽偶像。
2018年，获时代能量时装之夜年度盛典时代创造力奖。
2018年，获金数据中国文娱大数据盛典最具商业价值潜力女艺人。
2019年，获第十六届MAHB年度先生盛典“年度突破艺人”。
2020年，获新浪微博之夜年度进取艺人。
张天爱的演技和外形都在《二炮手》中展现得淋漓尽致，她饰演的日本军医凌织羽不论是刚出场时穿着华丽风衣，还是被俘后披着大棉被，都散发出别致的美感。楚楚可怜的眼神时而又露出骄傲而凌厉的光芒（搜狐娱乐评）。
张天爱在《太子妃升职记》中的帅美形象非常受到欢迎，她时而英气潇洒时而仙气妩媚的气质更是让人欲罢不能，其身材容颜都称得上是上等美人（新华网评）。
爽朗大气是张天爱给人的第一印象，五官立体、眉目分明，眼睛也亮亮地闪着神采，还拥有一张精致而又大气的脸。（《ELLE世界时装之苑》评）