2002年，张子萱以平面模特身份出道，之后的九年时间张子萱主要担任《瑞丽》等时尚杂志的平面模特，与此同时张子萱也担任了五月天、马天宇等歌手音乐录影带的女主角，以及参与了一些广告的拍摄。
2011年，张子萱出演了个人的首部戏剧作品，她与文章、白百何、王耀庆共同出演了由鲍鲸鲸同名作品改编的爱情电影《
失恋33天》，并在片中饰演了贪慕虚荣的拜金女李可，张子萱也凭借在本片中的不俗表现获得了第31届大众电影百花奖最佳新人和第49届台湾电影金马奖新演员两项提名。
2012年，张子萱又与殷桃、赵子琪、祖峰合作出演了时尚都市剧《时尚女编辑》，剧中张子萱饰演了真实不做作的比较女孩伊娜；同年，张子萱还与彭冠英搭档主演了爱情微电影《真爱指南针》，并在剧中饰演了女主角李梦。
2013年，张子萱与文章、马伊P、朱佳煜共同出演了都市情感剧《小爸爸》，剧中张子萱饰演了向往纯净如水般爱情的美丽女孩姗姗；随后；张子萱又与杨幂、余文乐、金范共同出演了青春励志剧《微时代之恋・初恋篇》，并在剧中饰演了丁小柔；同年，张子萱又与彭冠英、迟佳、张钧涵合作主演了爱情悬疑网络剧《
我叫郝聪明》，张子萱在剧中饰演了乐观甜美的女主角郝聪明；此外，张子萱还与倪妮、井柏然、刘雅瑟共同出演了励志爱情电影《
等风来》。
2014年，张子萱先是与刘恺威、张俪、吴建飞合作出演了根据现代小说《一念路向北》改编的都市爱情剧《一念向北》，张子萱在剧中饰演了高贵冷傲的伍莺莺；之后，张子萱又在与肖顺尧、黄一琳、彭冠英联袂主演的青春爱情剧《将爱之因为爱情》中饰演了女主角陈意心；在与白百何、陆毅、江疏影、赵子琪合作主演的情感励志剧《
长大》中饰演了高冷学神白晓菁；同年，张子萱还与文章、白百何、许凝共同出演了网络贺岁剧《潘咳占恰罚挥肽吣荨⑴碛陉獭⑽撼苛袂主演了根据九夜茴同名网络小说改编的校园青春片《匆匆那年》；同年6月，张子萱获得了风尚志杂志主办的爱是最美的风尚明星盛典明星风尚榜样奖；同年8月，张子萱又与陈赫、王传君、姜妍联袂出演了古装探案喜剧《医馆笑传》，并在剧中饰演了活泼可爱却有些小任性的医馆大小姐陈安安。
2015年，张子萱与白百何、吴彦祖等人合作出演了爱情励志喜剧《
滚蛋吧！肿瘤君》；同年，张子萱还客串出演了土豆网自制的都市网络剧《野兽派花店》。
