出生于北京的张子萱在大学期间所攻读的专业是广告策划，而她踏入模特行业则源于一次偶然的机会。当时她正值大一，一位在杂志社担任助理编辑的高中同学因为工作需要，正在寻找适合拍摄封面的平面模特，这位同学觉得张子萱外形条件出众、面容姣好，便主动向相关方面推荐了她。通过此次拍摄，张子萱逐渐积累了宝贵的平面模特经验，并在实践中不断展现出她对镜头良好的适应能力与表现力。凭借持续的努力与逐渐成熟的专业姿态，她不久后便获得了业内的认可，进而成为《瑞丽》杂志的专属模特，开启了她在时尚领域的稳定发展之路。
在2002年，张子萱正式以平面模特的身份开启了自己的职业生涯，在随后的九年时间里，她主要长期担任时尚杂志《瑞丽》的专属平面模特，积累了丰富的拍摄经验。除此之外，她的身影也频繁出现在《新锐》、《女友》、《精品购物指南》等众多知名时尚刊物的页面中，展现了其广泛的行业适应性。在模特工作之外，张子萱也积极拓展演艺相关领域，她曾受邀担任多位歌手的音乐录影带女主角，并参与了大量商业广告的拍摄，逐步提升了个人知名度。2006年，她进一步挑战T台走秀，在“东田造型彩妆流行趋势”发布会上以模特身份亮相。2007年7月，她出席了第5届瑞丽封面女孩大赛的总决赛现场，并登台献唱了歌曲《我的Super Star》，展现了多方面的才艺。同年9月，她出演了五月天的音乐录影带《我又初恋了》，担任其中的女主角。同样在2007年9月，在马天宇单曲《快乐童话》的MV女主角公开票选活动中，张子萱凭借最高票数成功当选，并在MV中饰演了白雪公主这一角色。2008年1月26日，她参与了“KOBE COLLECTION SHANGHAI”时尚走秀活动；此后不久，她又出席了“T.B2北京新光天地服装”的新品发布会；同年3月15日，她的工作日程延伸至海外，参加了在日本举办的“东京女孩in东京”大型时尚活动。2009年9月，张子萱与王翔、杨姗姗、康乐等同行一起，共同参与了“RAYLI GIRLS DREAM PARTY”的走秀环节；随后，她再次登上国际舞台，参加了“TOKYO GIRLS COLLECTION”的时装秀；同年10月18日，她以专属模特的身份，在第7届瑞丽封面女孩大赛的舞台上参与了走秀环节。进入2010年，她的活动更为密集：3月，她与模特洛瑶一同出席“北京Lotto领型主演春夏品牌发布会暨Lotto领型主演创意造型大赛”的启动仪式，并亲自参与了大赛的走秀展示；4月，她跨界担任了北京国际车展的车模工作，并在现场接受了易车网的专题专访；9月，她继续亮相第8届瑞丽封面女孩大赛，再次以专属模特身份登台走秀；此后不久，张子萱还受邀参加了《瑞丽服饰美容》十五周年庆典大赏活动，为其职业生涯增添了又一笔重要记录。
二零一零年，张子萱通过参与湖南卫视的一档综艺节目《快乐大本营》而进入公众视野，并在此机缘下被导演滕华涛所赏识。滕华涛随后邀请她在剧情片《失恋33天》中出演李可这一角色，这次演出标志着张子萱正式踏入了演艺行业，开启了她的演员生涯。次年，即二零一一年，由张子萱担任主演的现代爱情题材电影《失恋33天》正式公映，她在片中生动诠释了贪慕虚荣的拜金女李可，这部作品也成为她个人首部担纲主要角色的戏剧作品；此后，凭借在此片中的表现，她相继获得第三十一届大众电影百花奖最佳新人奖以及第四十九届台湾电影金马奖最佳新演员奖的提名，由此顺利完成了从模特到演员的身份转型。二零一二年，张子萱与滕华涛导演再度携手合作的时尚都市题材电视剧《时尚女编辑》与观众见面，她在剧中扮演了一位真实自然、毫不做作的北京女孩伊娜，这一角色引发了网络上的广泛讨论，同时这也是张子萱参与拍摄的首部电视剧作品；同一年，她还与演员彭冠英搭档，共同主演了一部爱情主题的微电影《真爱指南针》，该片亦如期上映。 二零一三年三月，张子萱又一次与彭冠英合作，主演的爱情悬疑类网络剧《我叫郝聪明》首次播出，她在剧中饰演了性格乐观、外表甜美的女主角郝聪明；到了九月，她与文章、马伊琍等演员共同主演的都市情感剧《小爸爸》在卫星频道播出，张子萱在剧中饰演了向往纯洁如水般爱情的美丽女孩姗姗，这部剧在开播首日便取得了全国收视率排名第二的优异成绩，而张子萱也因姗姗一角成为当时舆论关注的焦点人物；同年，她还出演了一部励志爱情电影《等风来》，该片也在之后与观众见面。二零一四年六月，张子萱在风尚明星盛典上荣获明星风尚榜样奖，肯定了她在时尚领域的表现；七月，她参演的青春励志剧《微时代》播出，她在剧中饰演了性格柔美、形象可爱的角色丁小柔；十二月，由她与彭于晏、倪妮、陈赫等人联袂主演的校园青春题材电影《匆匆那年》登陆影院，张子萱在片中扮演了活泼开朗的八零后女生林嘉茉，这部电影在其上映当月便实现了票房突破五亿元人民币的亮眼成绩。 自二零一五年开始，张子萱逐渐减少了在影视领域的公开活动，但她此前已经完成拍摄的作品仍按计划陆续播出。当年一月，她与陈赫、王传君共同主演的古装探案喜剧《医馆笑传》首播，她在剧中饰演了活泼可爱且略带些小任性的医馆大小姐陈安安；同月，她在另一部情感励志剧《长大》中出演了高冷学神白晓菁一角；八月，她主演的爱情励志电影《滚蛋吧！肿瘤君》举行首映，这部影片的最终总票房累计达到五亿元人民币。二零一六年四月，张子萱出演的都市爱情剧《一念向北》于中央电视台八套频道首播，她在剧中塑造了气质高贵冷傲、才华横溢的歌手伍莺莺；六月，她主演的另一部情感励志电影《滚蛋吧！肿瘤君》获得了第十六届中国电影华表奖优秀青年创作影片奖的荣誉。直至二零二二年，张子萱与肖顺尧、彭冠英等人联袂主演的青春爱情剧《葡萄藤下的玫瑰》播出，她在剧中饰演了娇俏可爱的女主角陈意心，再次回归观众视野。
2023年，张子萱退出鱼眼儿咖啡（北京）有限公司的股东行列。
二零一五年一月二十七日深夜二十三点五十四分，演员张子萱通过其个人微博账号公开发文，正式承认自己与同为艺人的陈赫正处于恋爱关系之中。与此同时，她还附上了一张来自法院的起诉离婚证明文件，该文件显示她已向自己的第一任丈夫杨一柳正式提起离婚诉讼。进入二零一六年，在二月二十四日当天，多家新闻媒体通过相关渠道证实，张子萱与陈赫已经依法办理了结婚登记手续，正式结为夫妻。同年十月二十三日，张子萱于上海市顺利分娩，诞下一名女婴；不久之后，陈赫在其微博上分享了一张照片，画面中一只成人的大手轻柔地握着一只婴儿的小手，并配以“感恩”二字，以此表达初为人父的喜悦与对生活的感谢。时间来到二零二零年三月十七日，陈赫再次通过其个人社交媒体平台向公众宣布，他与张子萱迎来了他们的第二个女儿，家庭增添了新成员。
在演艺道路上持续推出优秀作品的张子萱，始终秉持一步一个脚印的踏实态度，逐渐从初涉影视圈的新人蜕变为备受认可的演技派偶像。从《失恋33天》里那个满口河南方言、性格鲜明的拜金女孩李可，到《时尚女编辑》中既美丽时尚又豪爽仗义、充满京城气息的伊娜，再到《我叫郝聪明》中可爱坚韧、充满励志色彩的郝聪明，以及《小爸爸》里执着于纯粹爱情的珊珊，张子萱凭借其细腻自然、不着痕迹的精湛表演功力，在每一部作品中都深入揣摩并生动演绎出角色独有的个性与情感，成功塑造了一系列形象饱满、特点鲜明的人物，这些鲜活的角色不仅展现了她在表演上的多样可能性，也给广大观众带来了持久而深刻的艺术印象。
二零一五年一月二十一日，多家媒体报道了已婚女演员张子萱与男演员陈赫之间存在婚外恋情的传闻，引发了公众的广泛关注。随后在次日，即一月二十二日，陈赫通过社交平台发布了一篇详细的道歉声明《我错了》，文中他首次公开承认自己与第一任妻子许婧的婚姻关系实际上已于大约半年前结束，两人早已办理离婚手续。到了同月二十七日，有媒体进一步曝光了据称是张子萱与陈赫私下约会的视频内容，使得事件持续发酵。当晚二十三点二十四分，陈赫在其个人微博上公布了与许婧的离婚协议书，文件上所显示的签署日期为二零一四年九月十一日，以此证明二人婚姻关系的终结早于外界猜测的时间点。约三十分钟后，张子萱也通过微博作出回应，她正式承认自己正在与陈赫交往，同时说明在此之前已向当时的丈夫杨一柳提出了离婚申请，并随文附上了向法院提起离婚诉讼的相关证明材料，试图澄清自身感情状况的变化过程。（关于此次出轨风波的详细经过与更多背景信息，可进一步查阅《陈赫出轨事件》这一专门词条以获取全面梳理。）