1986年，大学毕业的张光北被分到北京电影制片厂工作。1987年，张光北在历史片《两宫皇太后》中饰演恭亲王奕忻，获百花奖最佳男演员提名。1988年，张光北在电影《弧光》中饰演心理医生柳楷一角，获得中国表演艺术学会学会奖 ；参演电影《哗变》，扮演程唤。1990年，参演电影《天边有一簇圣火》饰演刘清涧。1993年，参演电视剧《三国演义》，饰演吕布一角。2000年，在电视剧《日出东方》中饰演蒋介石。2002年，参演孙俪、佟大为主演的电视剧《玉观音》，出演边小军一角 。2004年，由张光北担任总制片人的纪念反法西斯战争胜利60周年电视剧《这里的黎明静悄悄》在黑龙江拍摄 。2005年，与李幼斌、何政军合作主演电视剧《亮剑》，饰演国民党爱国军人楚云飞 。2007年7月，联手李幼斌、何政军出演《亮剑》的原班人马打造的电视剧《仁者无敌》 2010年，参演贾一平主演的反映豫商传奇的电视剧《经纬天地》，饰演楚陶朱 。2013年，主演反映林业发展的电视剧《山里娘们山里汉》，饰演父亲“李松” ；12月，与李诚儒联袂主演话剧《王府井》，张光北饰演的佟寿春与李诚儒饰演的王爷的对手戏，这是他的首部话剧作品 。2015年4月出演电影《三体》中常伟思一角。 2016年，出演电视剧《红旗漫卷西风》，在剧中饰演革命导师秦声达。