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。
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《屌丝日记》;与倪妮、彭于晏、魏晨联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》。