2016年，胡一天參與演出《貓的樹》系列微電影。同一年，他因參與演出由郭敬明監(jiān)制的青春偶像劇《夏至未至》，在劇中扮演歐俊一角，正式出道。

2017年11月份，胡一天第一次擔(dān)任男主角，主演青春愛情劇《致我們單純的小美好》，在劇中扮演外冷內(nèi)熱的傲嬌醫(yī)生江辰，照簽并演唱了片尾曲《是夢吧》，憑借該劇獲得騰訊視頻星光大賞年度潛力電視劇男演員獎。12月份，參加湖南衛(wèi)視《快樂大本營》的錄制。

2018年，胡一天加盟懸念式戶外真人秀《二十四小時》第三季擔(dān)任常駐嘉賓，展開趣味挑戰(zhàn)與文化交流之旅；同一年3月份，加盟甜萌夢幻愛情劇《親愛的，熱愛的》，在劇中特別參與演出K&。K戰(zhàn)隊隊長、計算機(jī)天才吳白（Dt）。

2019年3月份，胡一天主演超級劇集《民國奇探》，在劇中扮演從英國留學(xué)歸來的紈绔公子路垚。

2020年1月16日，胡一天根據(jù)古龍同名小說改編的古裝武俠劇《絕代雙驕》在中央電視臺電視劇頻道播出，胡一天在劇中扮演男主角花無缺。2020年5月份，在電視劇《親愛的，摯愛的》中扮演男主角吳白。2020年參與演出《你好，神槍手》扮演天才槍手沈清源。10月20日，由中國視協(xié)演員工作委員會主辦的第七屆“中國電視好演員”網(wǎng)絡(luò)投票結(jié)果公布，胡一天獲得中國電視好演員優(yōu)秀演員（綠組男演員）。12月2日，參演的電視劇《小風(fēng)暴之時間的玫瑰》播出，在劇中扮演高山。

2021年1月20日，胡一天參演由作家八月長安同名小說改編的電視劇《暗戀橘生淮南》在芒果TV、騰訊視播出，扮演男主角盛淮南。2月4日，領(lǐng)銜主演的電視劇《我的時代，你的時代》播出，在劇中扮演男主角吳白（Dt）；3月8日，主演愛奇藝穿越愛情網(wǎng)劇《超時空羅曼史》開機(jī)，在劇中扮演民國影星向秦羽；6月9日，和鐘楚曦搭檔主演的創(chuàng)業(yè)青春劇《青春須早為》開播，在劇中扮演90后創(chuàng)業(yè)達(dá)人鄭乾。