张晓龙生长在东北农村，16岁突击艺考进入吉林艺术学院；1994年，以全国第一名的成绩考入北京舞蹈学院民间舞专业。毕业后张晓龙进入中央戏剧学院，担任形体老师 。
2006年，参演电视剧《金婚》，饰演苏戈。
2007年，参演电视剧《春蚕织梦》，饰演宋亨利。
2008年，出演《老师错了》 、《暗香》、《情证今生》等电视剧。
2011年，出演孙俪、陈建斌主演的宫斗剧《后宫·甄嬛传》 ，饰演太医温实初、并担任该剧的礼仪指导，还编导甄嬛的“惊鸿舞”、安陵容的“满汉八旗冰嬉舞” 。凭借“温太医”走红，被网友评为“史上最帅的太医” ；夺得安徽卫视国剧盛典最具突破艺人奖。
2012年6月，参演电视剧《爱情面前谁怕谁》，张晓龙一改温文儒雅的形象，演绎一位游手好闲、不按常理出牌的青年医生的郑天乐 。9月，与陈紫函在巴厘岛拍摄微电影《寻找真我》 。10月，黄山拍摄《剑南春之歌》 MV。
2013年1月，与钟汉良主演电视剧《十月围城》饰演反派李重甲 。4月，与林峰、张檬主演古龙武侠剧《陆小凤与花满楼》，饰演花满楼。8月，与柯震东、林依晨主演电影《我的情敌是超人》，同年11月，与莫小棋、许绍洋主演电影《现场直播》。
2014年2月，客串湖南卫视周播剧《懂小姐》 。4月，主演湖南卫视电视剧《妻子的谎言》， 该剧于2015年3月29日登陆湖南卫视黄金档播出。
2015年4月，参加河南卫视首档文学户外真人秀《文学英雄》的录制 。7月，主演电视剧《爱人的谎言》，该剧是《妻子的谎言》姊妹篇，该剧于2016年2月24日浙江卫视首播。
2016年3月，参演古装玄幻电视剧《天泪传奇之凤凰无双》，饰演齐国相国顾清鸿 。9月，参演都市偶像剧《极光之恋》，饰演男二号李明哲 ，该剧于2017年开播 。
2017年9月，受邀担任“加拿大金枫叶国际电影节”评委，并获得组委会特别颁发的“最佳男演员”一奖 。12月，出演综艺节目《快乐大本营》 ；作为特邀嘉宾，出演文化节目《中华好故事》最后一期 。
2018年1月，出演综艺节目《天天向上》 。7月，领衔主演电影《现场直播》，饰演温柔敦厚而沉着冷静的警官柯日生，凭借该角色获得加拿大金枫叶国际电影节最佳男演员奖、第十四届中美电影节“最具突破男演员”奖 。8月，与刘晓庆、悦悦、孙嘉灵一同出演北京卫视节目《但愿人长久》 。
2019年，出演教育节目《同一堂课》，讲授唐朝文化 。
2021年3月，参加由安徽卫视与《诗刊》社联合出品的大型诗歌类文化节目《诗·中国第二季》 。
青年演员张佳宁是张晓龙的外甥女，她凭借《媳妇的美好时代》《老爸的爱情》《青年医生》等热播剧走红，从2009年毕业开始，她共拍20多部戏。
2013年7月27日，张晓龙与单待等人共同参加“星耀园博——北京园博会明星志愿服务体验”活动。
2013年12月，张晓龙出席活动中国企业领袖与媒体领袖年会，在活动中，张晓龙表示拒绝消费“温太医”，对药品广告慎接。
2014年，张晓龙到《我家有明星》担任惊喜嘉宾，与患有感统失调症的大珍珠共同表演节目。
2014年，张晓龙受Armani品牌官方邀请出席意大利米兰2015春夏男装秀。
2015年1月，张晓龙受邀担任东方卫视《与星共舞》嘉宾评委。