2016年,胡一天出演《猫的树》系列微电影。同年,他因出演由郭敬明监制的青春偶像剧《
夏至未至》,在剧
致我们单纯的小美好饰演江辰中饰演欧俊一角,正式出道。2017年11月,胡一天首次担任男主角,与沈月合作主演青春爱情剧《致我们单纯的小美好》,在剧中饰演外冷内热的傲娇医生江辰,并演唱了片尾曲《是梦吧》,凭借该剧获得腾讯视频星光大赏年度潜力电视剧男演员奖。12月,参加湖南卫视《
快乐大本营》的录制。2018年,加盟悬念式户外真人秀《二十四小时》第三季担任常驻嘉宾,展开趣味挑战与文化交流之旅;同年3月,加盟甜萌梦幻爱情剧《
亲爱的,热爱的》,在剧中特别出演K&K战队队长、计算机天才吴白;同年7月,主演张赫洋导演电视剧《
青春须早为》饰演90后创业达人“郑乾”。同年11月参演由作家八月长安同名小说改编的电视剧《
暗恋橘生淮南》,饰演男主角盛淮南。照片2019年3月,搭档张云龙、肖燕等主演超级剧集《
民国奇探》,在剧中饰演从英国留学归来的纨绔公子路垚。2020年1月16日,根据古龙同名小说改编的古装武侠剧《
绝代双骄》在中央电视台电视剧频道播出,胡一天在剧中饰演男主角花无缺。