2010年12月，张艺兴以公开练习生身份参与同公司组合SHINee日本一巡演唱会的舞蹈演出，代替受伤的成员钟铉跳舞 。2012年1月17日，张艺兴以SM公司公布男子组合EXO成员Lay的身份首次亮相，并公开单人出道预告照及第一支单人舞蹈预告《PHOENIX凤凰》 ；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特别舞台的录制 。2013年12月，EXO以圣诞特别专辑《12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 。而在2014年4月份举办的EXO日本FANMEETING中，张艺兴再次进行了钢琴伴奏。2014年5月23日，张艺兴在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 ；9月19日，变身特派记者应邀参加中央电视台体育频道(CCTV-5)的仁川亚运会特别节目，探访了中央电视台演播室；12月31日，在湖南卫视跨年演唱会中再次公开自作曲目《I’m Coming》，并在烟雾弥漫中独秀舞技。 2015年2月11日，与张泉灵、任鲁豫、柳岩搭档主持CCTV网络春节联欢晚会，担任分享大使与表演嘉宾和网友互动 ；3月7日，在EXO首尔二巡演唱会上，张艺兴公开了自作曲《约定》，这首歌同时收录于EXO后续专辑《love me right》中，而其亦是第一位拥有个人原创曲收录进组合专辑的成员 ；5月13日，以固定成员的身份加盟东方卫视励志体验真人秀节目《极限挑战》 ；6月23日，张艺兴在ZUK手机发起的“明星爱微笑，力挺到纽约”网络票选活动中获得冠军，成为“微笑”明星登上美国纽约时代广场12块大屏幕长达10天，将微笑和正能量传递给世界 ；9月17日，张艺兴的个人首部成长记录图文书《而立·24》，开售24分钟以近7万册的销售成绩刷新图书界预售活动新记录 ；9月26日，加盟唐季礼执导的中印合拍影片《功夫瑜伽》，在片中饰演助教小光 ；10月7日，张艺兴在其“了解、陪伴、期待”主题生日会上首次公布5首原创新歌 ；10月10日，EXO成为首个登上韩国巨蛋开唱的艺人团体，而张艺兴也成为第一个登上韩国巨蛋的中国艺人 ；11月3日，获得亚洲影响力东方盛典最具影响力全能艺人 ；11月6日，特别出演爱情喜剧片《前任2：备胎反击战》公映，并亲自作词谱曲并献唱电影主题曲《一个人》 ；11月15日，出席“风从东方来”娱乐影响力盛典并获得年度音乐先锋人物奖项 ；12月4日，张艺兴主演的首部大荧幕作品《从天儿降》上映，并为该片作词作曲并演唱主题曲《青春快乐》 ；12月18日，确认主演时尚爱情喜剧电影《闭嘴！爱吧》并在片中饰演男主角中国歌手韩彬 。 2016年1月11日，张艺兴受邀出任韩国潮牌Pancoat亚洲首位代言人 ；15日，主演的喜剧悬疑片《极限挑战》上映 ；2月29日，入围第18届华鼎奖“最佳新锐演员奖”提名 ；4月5日，担任薇姿中国区代言人，同时成为薇姿亚洲首位男性品牌形象大使 ；4月9日，EXO成员出席第十六届音乐风云榜年度盛典并献上表演，而张艺兴凭借原创歌曲《一个人》获得年度最受欢迎电影歌曲及年度最受欢迎新人两项个人奖项 ；4月17日，继续加盟《极限挑战第二季》 ；5月27日，SM数码音源频道SM STATION公开了第16位主人公EXO张艺兴的Solo原创单曲《独角戏》，《独角戏》是张艺兴在韩国发布的第一首个人歌曲，也是STATION发布的第一首中文歌，由张艺兴亲自作词、作曲及编曲，并参与MV拍摄 ；5月31日，参演个人首部电视剧作品《好先生》，在剧中饰演热爱厨艺、执着追梦的后厨菜鸟小蔡 ；6月26日，张艺兴凭借电影《前任2：备胎反击战》获得第四届中英电影节最佳男配角奖 ；7月4日，其主演的民国悬疑剧《老九门》在东方卫视周播剧场播出，张艺兴饰演儒雅温润且情深义重的长沙花鼓戏名角二月红，该剧在播出后引发了颇高的网络热度和话题热议度，长期居稳同时段收视榜首，并以1.138%的平均收视率刷新年度各卫视周播剧的收视纪录，其微博衍生话题累计阅读量超150亿次，网络播放量突破百亿，成为全网史上首部破百亿的自制剧，而张艺兴亦成为各大热搜榜的话题人物 ；10月7日，发布首张原创Solo专辑先行曲《What U need》，该曲发表后横扫海外榜单，而MV公开21小时，海外官方平台YouTube播放量便破百万，张艺兴成为YouTube平台上MV最快突破100万的中国籍歌手，同时刷新SM娱乐旗下男艺人solo首日YouTube点击最好成绩 ；10月20日，继续主演民国悬疑片《老九门番外之二月花开》饰演二月红，该片上线24小时播放量突破1555万，十天播放量突破5000万 ；10月28日，发行个人首张创作专辑《LOSE CONTROL》，实体专辑销量突破22万张，接连打破韩国solo歌手首日，首周以及年度销量纪录，并创下华语专辑iTunes榜单最好成绩 ；11月4日，中国版《求婚大作战》在上海开机，张艺兴饰演男主角严小赖 。