2007年，张馨予参演古装剧《大旗英雄传》，正式出道。2009年，张馨予担任世界杯足球宝贝，并拍摄了多个网游广告，开始受到大众关注；同年，她在情景剧《青春进行时》中饰演了海归女孩张珍妮。

2010年，张馨予首次触电大银幕，参演由冯小刚执导的爱情喜剧电影《非诚勿扰2》，饰演热心环保事业的美女明星馨予。

2011年2月，张馨予与刘涛、陈楚河联袂主演都市爱情剧《钱多多嫁人记》，饰演生活富足但并不快乐的蒋依依。4月，在爱情喜剧电影《宅男总动员：女神归来》中饰演像雪花一样浪漫单纯的女孩赵敏。8月，主演时尚爱情剧《夏日恋神马》，饰演男孩们的梦中女神小予。11月，搭档吴刚主演剧情片《不怕贼惦记》，饰演年轻貌美的女骗子青花，该片入围第24届东京国际电影节亚洲之风单元。12月，她在由徐克执导的3D武侠电影《龙门飞甲》中饰演了千娇百媚却心如蛇蝎的万贵妃。

2012年1月，张馨予搭档郭德纲主演喜剧电影《车在囧途》，饰演懂事体贴的邻家女孩伊容。8月，她与张柏芝、小沈阳合作主演古装喜剧电影《河东狮吼Ⅱ》，饰演身手不凡、对爱情很执着的刘香。

2013年7月，张馨予在由唐季礼监制的古装历史剧《精忠岳飞》中饰演能文能武的抗金女英雄梁红玉。8月，她主演爱情喜剧电影《粉红女郎·爱人快跑》，饰演成天只想着工作的“男人婆”一角。10月，她在医疗剧《到爱的距离》中饰演遭到舆论恶意攻击的女孩许楠。11月，她搭档韩栋主演了古装剧《鹿鼎记》，饰演颇具魄力和智慧的苏荃。12月，她与钟汉良合作主演金庸武侠剧《天龙八部》，饰演丐帮副帮主马大元的妻子康敏。

2014年1月，张馨予主演古装神话剧《封神英雄榜》，在剧中一人分饰两角，分别扮演温婉善良的大家闺秀苏妲己和妖娆魅惑的九尾狐胡仙儿，凭借该剧获得第17届华鼎奖古装剧最佳女主角奖提名。12月，她与陈晓、陈妍希共同主演武侠剧《神雕侠侣》，饰演小龙女的师姐赤练仙子李莫愁；随后，她在古装剧《武媚娘传奇》中饰演了专横跋扈、宠冠后宫的萧淑妃。

2015年，张馨予与李佳航搭档主演都市励志剧《奋囧》，饰演努力备战公务员考试的女孩顾阡陌。同年，她还在时装剧《只因单身在一起》中饰演了出生贫寒却力争上游的女强人林曼妮。

2016年2月，张馨予在古装爱情剧《班淑传奇》中饰演没落宗室之女刘萱。3月，她与马可、徐海乔联袂主演悬疑爱情剧《重生之名流巨星》，饰演个性爽朗的小天后柳艺。7月，她与朱一龙搭档主演武侠剧《新边城浪子》，饰演武林第一美女马芳铃。8月，她主演了动作喜剧电影《魔卡行动》，饰演个性独立且精通多国语言的女主角李菲菲。9月，她受邀参加第72届威尼斯国际电影节，以一身人鱼公主造型亮相开幕式红毯，被意大利版《VOGUE》称为“本届电影节红毯最佳造型之一”。

2017年，张馨予与徐海乔再度合作，主演玄幻剧《昆仑阙之前世今生》，饰演经历宿世姻缘的灵惜。同年她与马可、乔振宇联袂主演古装传奇剧《思美人》，饰演敢爱敢恨的楚国奇女子莫愁女。

同年，与何润东、朱一龙共同主演了古装悬疑情感大剧《花谢花飞花满天》，在剧中饰演谢家千金谢千寻。此外，她还参与录制了湖南卫视原创军旅成长励志特别节目《奇兵神犬》，与杨烁、沙溢、张大大、姜潮组建明星训犬队，也是通过该节目初识丈夫何捷。

2018年1月，张馨予特别出演的古装权谋剧《凤囚凰》播出，她在剧中反串饰演了飘逸俊朗、富有谋略的琅琊王氏公子王意之。

2018年5月，张馨予成为Thanmelin梵蜜琳品牌代言人。