2006年，5岁的张子枫在上学前班时，就已经开始拍摄广告。

2008年，因参与出演林丛导演的情景喜剧《电脑娃娃》和根据老舍作品改编的近代革命电视剧《龙须沟》等作品从而正式进入演艺圈。

2009年，张子枫参演了近代谍战剧《秘密列车》和民国言情剧《宁为女人》等多部电视剧。

2010年7月22日，由冯小刚执导的灾难电影《唐山大地震》上映，在片中，张子枫饰演童年方登，并凭借该角色获得第31届大众电影百花奖最佳新人奖，成为百花奖开设至2010年时年龄最小的获奖者。之后，在由王宝强和陶虹主演的年代亲情剧《我的父亲是板凳》中，饰演一名烈士遗孤红儿。

2011年，在家庭情感剧《情感战争》中饰演顾乐，与父亲演绎出一场感人至深的父女情缘，还凭借剧中表现荣获江苏卫视最具表演潜质奖。

2012年5月，以倡导“信、望、爱”为主题的现代医疗题材剧《心术》播出；在剧中，张子枫饰演身患重病急需换肾的南南 。之后，在古装宫廷片《宫锁沉香》中，张子枫首次挑战古装扮相，饰演小沉香。此外，还在都市情感剧《璀璨人生》中，饰演一个善良懂事、爱憎分明的女孩余非 。并且，在现代都市剧《幸福绽放》中，饰演一位乖巧、懂事却被命运无情摧残的女孩夏霏。同年，张子枫还客串出演古代职场喜剧《龙门镖局》。

2013年8月23日，现代喜剧片《摩登年代》在中国上映，张子枫饰演丢丢，与徐峥组成“父女”组合。

2014年3月，张子枫为动画喜剧片《天才眼镜狗》的角色Penny Peterson配音；这是张子枫的配音首秀。4月8日，参演的家庭伦理剧《老爸回家》在江苏卫视播出，在剧中张子枫饰演霍启小女儿霍聪。4月25日，青春校园电影《同桌的你》上映，张子枫出演少年周小栀。5月，在年代战争剧《面具侠》中饰演小核桃，在剧中张子枫还首次挑战了打戏。

2015年1月，参演民国惊悚片《魔宫魅影》；6月，在动作喜剧片《唐人街探案》中饰演神秘少女思诺；9月，主演都市家庭情感剧《小别离》，饰演一名在经历过一系列事件后终获得成长的女孩方朵儿 。

2016年4月，主演青春励志电影《岁月忽已暮》。9月，主演青春励志成长校园剧《我们的少年时代》， 饰演性格豪爽的棒球队经理栗梓 。

2017年，因凭《小别离》的表现，入选为由电视指南特别策划的中国最具产业影响力电视剧新人之一 。3月，出席巴黎时装周。4月，张子枫出席第七届北京国际电影节，并担任北京展映国片推介人。5月4日，在中央电视台“五四晚会”上演唱歌曲《梦想开始的地方》，并以十位文艺界优秀青年代表之一的身份荣获共青团中央宣传部特别授予“五.四优秀青年”称号。6月9日，主演的校园青春励志电影《李雷和韩梅梅》于全国上映，在片中张子枫饰演韩梅梅，演绎一段 “体育女王”韩梅梅与“学霸男神”李雷的青春故事；并凭该角色获得第5届中英电影节组委会最佳新人奖项。11月3日，青春校园悬疑网络剧《推理笔记》在腾讯视频上线，张子枫挑战双重型人格，分别饰演脱线傲娇少女夏早安和神秘推理高手爱迪生。

2018年，与周迅搭档，参演由陈可辛监制、岩井俊二编剧的都市情感片《你好，之华》，并凭少年之华一角入围第55届金马奖最佳女配角奖。6月16日，出席第21届上海电影节开幕式。7月18日，与熊梓淇、刘剑羽等合作主演的青春校园偶像剧《我和两个他》在爱奇艺上线，并在剧中饰演初入大学校园的少女林圆。8月17日，领衔主演根据同名国产漫画改编的电影《快把我哥带走》在全国上映，并在片中饰演“暴力萝莉”时秒；该片上映十三天，累积票房突破3亿，更得到了人民日报等多家主流媒体赞誉。同时，还参演了由陈正道执导的悬疑电影《秘密访客》；12月9日，在2018电影嘉年华·电影之夜中，凭借《快把我哥带走》中的时秒一角荣获“最受瞩目表现奖”。

2019年，主演青春校园电影《再见，少年》。4月12日，主演的由郭涛执导的都市悬疑电影《欲念游戏》在全国上映。4月26日，以常驻嘉宾身份录制的生活服务纪实节目《向往的生活第三季》在湖南卫视播出。7月，参演由彭宥纶执导的都市情感片《亲爱的新年好》。9月30日，新中国成立70周年国庆系列献礼片《我和我的祖国》在全国公映，张子枫在由文牧野执导的单元电影《护航》中饰演童年吕潇然。10月1日，由吉尔·卡尔顿和托德·维尔德曼执导的奇幻动画电影《雪人奇缘》在全国上映，张子枫为片中女主角小艺中文配音。12月31日，主演的都市情感片《宠爱》上映，她在片中饰演江楠。

2020年，主演回归电影《唐人街探案3》。