2015年1月，张思帆参演了黄伟杰执导的古装武侠电视剧《蜀山战纪之剑侠传奇》，饰演劫富济贫的马贼二虎而走上演艺之路；同年6月，张思帆参演由袁姗姗、陈晓等联袂主演的现代偶像剧《云巅之上》；同年8月，张思帆参加芒果TV互动真人秀《完美假期》，获得第四名；同年11月，张思帆与叶祖新、黄世超、杨世瀚合唱电视剧《蜀山战纪》的片尾曲《我就是我》单曲发布。

2016年，张思帆与张哲瀚、李一桐、米热等联袂主演民国玄幻爱情剧《半妖倾城》，饰演徐少白；4月，张思帆参加深圳卫视大型明星环球竞速真人秀《极速前进第三季》与刘翔、郭晶晶等奥运冠军同场竞技；5月，主演玄幻探险网络剧《月之子》，饰演男主角岳浩轩；7月，张思帆主演古装历史剧《回到明朝当王爷之杨凌传》，饰演锦衣卫伍汉超；9月，张思帆出演的真人CG奇幻电影《爵迹》上映，他在该片中饰演冷酷无情的神斯；12月，张思帆主演的网游竞技网络剧《最强男神》开机，饰演一路组队升级成长为电竞大神的男主角刘川。

2017年9月，主演的校园轻喜剧《我的女友要上天》开机，他在剧中饰演自带人体酒精测试仪的高颜值男神高冷。

2018年1月5日，张思帆主演的热血电竞网剧《最强男神》在优酷视频独播，网播量破3亿；凭借优秀的角色驾驭能力，张思帆饰演的犀利大神刘川获得观众认可；3月9日，张思帆主演的民国奇幻网络电视剧《青囊传》开机，他在剧中饰演亦正亦邪的警察局长乔震天；7月18日，主演的古装言情喜剧《丑妃驾到》开机，饰演男主角义岐王吕敖；11月，主演古装轻悬疑探案剧《两世欢》，张思帆饰演贺王的独子慕北湮。

2019年7月2日，其参加的腾讯视频全明星篮球竞技真人秀节目《超级企鹅联盟Super3:星斗场》首播。