2011年，张馨元考入中央戏剧学院表演系音乐剧表演班。2013年，主演学校的音乐剧《拜访森林》中文版 。2014年3月，参加央视综艺频道节目《向幸福出发》，讲述了把“坚持变成习惯”的故事，并搭档佳明表演了小品《超生游击队》，还与王江华组成“新华书店”组合，表演了即兴的广告脱口秀表演 。
2016年7月23日，张馨元与杨冬麒、张梦戈、张帆、大兵合作出演由姚庆涛执导的喜剧电影《日夜男女》在爱奇艺独家播出。
2017年5月15日，张馨元与孙艺洲、张海宇、高艺涵合作出演都市喜剧《废柴兄弟5泰爽》在爱奇艺独家播出，在剧中饰演Mary老师；11月12日，与刘頔、张梦戈、张帆、徐冲合作出演由姚庆涛执导的黑色幽默喜剧电影《车库男女》上映 。
2018年2月1日，张馨元与卢佳、侯晓主演的全息裸眼3D舞台剧《格尔达的奇幻冒险》在广州正佳演艺剧院上演，她在剧中饰演冰雪女王 ；3月14日，与杨冬麒、优优、田川合作出演由苗盛执导的互联网创业喜剧《破产专家》开播 ；5月22日至23日，张馨元、宋涛、吕润桐主演由导演赵永斌执导的百老汇音乐剧《拜访森林》在北京世纪剧院上演 ；7月6日，与郭麒麟、王嘉宁等合作出演的都市校园情感剧《给我一个十八岁》在优酷视频播出，在剧中饰演二车 。
2019年7月，张馨元搭档谢孟伟领衔主演的动作战争电影《绝地双雄》开机，在片中饰演司徒明月 ；11月1日，与徐瑶、刘岩、任莹、徐昊合作出演由导演赵永斌执导的原创音乐剧《西厢》在北京市天桥艺术中心大剧场首演，在剧中扮演崔夫人 。
2021年1月14日，张馨元与周陆啦、薛卉葳合作出演由范氿维、刘大海联合执导的都市情感剧《我爱你》在搜狐视频播出，在剧中饰演李安乔 ；2月24日，参与录制湖南卫视贺岁特别节目《金牛报“喜”》，在节目中饰演饰演人称吐槽担当捷哥的人力资源总监杰西卡 ；8月12日，主演的灾难惊悚电影《鲨口逃生》在爱奇艺独家上线，在片中饰演昔日潜水员王磊的朋友Lisa ；参演电影《不老奇事》。
2022年7月5日，主演的惊悚冒险电影《蛇灾：蛇岛惊魂》在腾讯视频、爱奇艺播出，在片中饰演原住民首领兰染 ；9月1日，出演的动作冒险电影《鬼吹灯之精绝古城》播出 。