2012年，发布《已是两条路上的人》、《一朝芳草碧连天》等翻唱歌曲 ；同年，参加浙江卫视《我爱记歌词》的节目录制，并现场演唱《爱如潮水》 。 2014年12月，出席“丝路庭州音乐节”新闻发布会，并现场演唱了《妈妈》 ；同年，参加在新疆昌吉举办的“丝路庭州音乐节”；同年，张磊在酒吧唱歌的视频被别人放到了网上，之后被《中国好声音》的摄制组发现并联系上了他 。2015年2月7日，举行“北疆巡演第一站”；同年，张磊参加浙江卫视《中国好声音第四季》的比赛，盲选时以一首马頔的民谣歌曲《南山南》得到三位导师转身，加入那英队 ；同年8月28日，浙江卫视播出的《中国好声音第四季》那英组Battle战中，张磊与朱强合唱《车站》，战胜对手并进入第二轮，第二轮演唱《船》与孙伯纶进行对决，最终与孙伯纶共同晋级那英组四强、全国16强 ；同年8月，与孙伯纶、长宇参加腾讯视频《约吧好声音》第七期的录制 ；同年，推出个人民谣单曲《仙女山的月亮》 ；同年9月18日，浙江卫视播出的《中国好声音第四季》混战第一场8进5中，张磊与那英、孙伯纶、长宇、朗嘎拉姆合唱周杰伦的《烟花易冷》作为开场曲，之后演唱老狼的《虎口脱险》与李安进行PK，最终以47：4的票数战胜对手晋级全国十强 ；同年9月，与李安、李幸倪、陈梓童、孙伯纶参加腾讯视频《约吧好声音》第十期的录制 ；同年9月30日，浙江卫视播出的《中国好声音第四季》鸟巢冲刺夜10进5中，张磊演唱景岗山的《寂寞是因为思念谁》，综合得分获得94.6分，最终以本场排名第一名的成绩晋级全国五强 ；同年10月，与谭轩辕、陈梓童、贝贝、李安一起参加腾讯视频《约吧好声音》第12期的录制 ； 同年10月7日，浙江卫视直播的《中国好声音第四季》总决赛中，张磊与48强学员合唱《我爱你中国》作为开场曲，在第一轮中与那英合唱歌曲《梦一场+南山南》，之后在第二轮中演唱李健的《异乡人》获得11773票并成为冠军候选人，在第三轮中演唱《旅行》与陈梓童进行PK，最终以58.53%的现场支持率战胜陈梓童而获得全国总决赛冠军 ；同年10月8日，出席在北京举办的《中国好声音第四季》毕业典礼，并接受十大音乐制作人老师颁发的毕业证书 ；同年10月16日，浙江卫视播出的《中国好声音第四季》荣耀之战中，张磊演唱《南山南》与周深、李维进行PK，最终以团队总票数1143票战胜对手 ；同年10月17日，出席在合肥举行的“华东首届帐篷文化节暨环巢湖户外运动嘉年华活动”，并现场演唱了《虎口脱险》、《船》、《南山南》3首歌曲 ；同年10月31日，助阵《中国好声音第五季》全国海选合肥赛区华邦专场，并现场演唱了《旅行》、《虎口脱险》2首歌曲 ；同年11月10日，参加“京东11.11“京”喜夜——大型竞歌晚会”，并现场演唱歌曲《原来你什么都不想要》 ；同年11月，为CCTV公益励志节目《极速少年》演唱主题曲《年少如风》，并被中央电视台少儿频道授予“中国青少年公益大使”奖牌 ；同年11月19日，推出个人原创单曲《妈妈》，该歌曲由莫凡重新编曲 ；同年12月，参加央视综艺节目《我要上春晚》，演唱《异乡人》顺利晋级《直通春晚》的舞台 ；同年12月7日，推出个人单曲《一念天堂》，并作为同名电影的主题曲 ；同年12月9日，推出个人单曲《一切都好》，并作为同名电影的主题曲 ；同年12月12日，参加“瑞慈之夜中国好声音上海虹口演唱会”，并现场演唱了《妈妈》、《旅行》2首歌曲 ；同年12月17日，推出与第四季好声音学员合唱的歌曲《造我梦想》 ；同年12月27日，参加在深圳举行的2016QQ音乐“最好的时光”跨年演唱会，并现场演唱了《当你老了》、《妈妈》等歌曲 ；同年12月29日，推出个人单曲《温故知心》，收录于《第四季好声音学员大碟—那英组》合辑中 。 2016年1月，参加央视《直通春晚》的比赛，最终未能获得春晚邀请函 ；同年2月，推出个人单曲《别来无恙》的新春特别版本 ；同年，与杜天皓、赵英俊、陈奕天合作主演爱情喜剧电影《猴年马月》，在片中饰演具有边缘文艺青年气质的男主角胡凡，这是他的首部电影作品 ；同年3月23日，凭借歌曲《一念天堂》获得“乐见·未来QQ音乐巅峰盛典”年度最佳影视金曲奖 ；同年4月12日，推出首张个人音乐专辑《张磊的》，收录了包括《80还有后》、《切歌之王》等在内的10首歌曲 ；同年4月15日，获得“第20届全球华语榜中榜颁奖典礼”年度新人奖 ；同年5月13日，出席了由《芭莎男士》和凯迪拉克联袂举办的“以胆识驱动时代·商业新青年嘉年华颁奖盛典”，并获得年度最具商业潜力音乐人奖 ；同年7月5日，为喜剧电影《发条城市》演唱主题曲《未了歌》 。