2004年，张歆艺出演个人首部电视剧《风吹云动星不动》，在剧中饰演驰名上海滩的红妓林墨琴，并由此开始演艺生涯；同年，成为北京鑫宝源影视投资有限公司的签约演员。2005年，在都市爱情剧《给我一支烟》中饰演一位混迹于风尘情场的女子。

2006年，客串古装情景喜剧《武林外传》；同年，与王志文、王志飞合作主演抗日题材的电视剧《龙虎人生》，在剧中饰演受过优良教育的大家闺秀何雪珍。

2007年，出演爱情剧《五月的鲜花》，在剧中改变戏路，饰演命运坎坷的乡村教师谢雨，该剧播出后在辽宁、山东等地获得收视冠军；3月，与王学兵、王庆祥合作主演的悬疑剧《羊城暗哨》播出，她在剧中饰演由烈士遗孤成长起来的解放军女政委窦倌；6月，出演个人首部电影《夜·上海》；同年，在《我们无处安放的青春》中饰演为爱痴狂的烈性奇女子杜晓彬；12月，获得《北京青年周刊》颁发的BQ年度红人榜“年度潜力红人奖”。

2008年，与沈佳妮、陈思成、张子晨合作主演情感剧《爱是一颗幸福的子弹》，在剧中饰演个性冲动、敢爱敢恨的卫铁民；6月，在爱情剧《天地有爱》中饰演追求真爱的保险从业员庄然；同年，在家庭伦理剧《小家大事》中饰演与父亲相依为命的宋盈盈，并演唱该剧的片尾曲《我要的幸福》以及插曲《觉得》。

2009年，在谍战剧《苏菲的供词》中饰演内心纠结的女间谍苏菲，这也是她首度出演女间谍类型的角色；6月，搭档贾一平主演都市情感悬疑剧《燃烧的玫瑰》；7月，与靳东、石天琦、孟瑶等联袂主演民国剧《风雨上海滩》，在剧中饰演个性坚强的杜秋月；同年，与王学兵、李光洁共同主演中国首部反映医疗黑幕的电视剧《柳叶刀》，在剧中饰演为调查妹妹死因而潜入医院的心外科实习医生许曼。

2010年1月，在爱情伦理剧《新拿什么拯救你，我的爱人》中饰演坚强自立、对于感情积极争取的罗晶晶；2月，在侣皓吉吉推出的MV《夏天的脸》中担任女主角；同年，在廖凡、胡可共同主演的谍战剧《风声传奇》中饰演身手了得、专业素质极高的资深女间谍顾小梦。

2011年5月，凭借谍战剧《风声传奇》获得搜狐春季电视剧互联网盛典最具号召力女演员奖；7与，搭档汤镇宗主演谍战剧《红妆》，在剧中演绎了一位柔弱的女性如何隐姓埋名从事情报工作；10月，在与范伟、王雅捷联袂主演的都市轻喜剧《先结婚后恋爱》中饰演时尚靓丽的都市辣妈乔麦 ；12月5日，与潘虹、张译共同主演的家庭伦理剧《新上门女婿》播出，她在剧中饰演热情爽朗，性格倔强火爆的富二代钟卉；同年，在优酷大剧盛典上，获得优酷指数最具收视号召力女演员奖。

2012年，因在都市爱情剧《北京爱情故事》中塑造了爽朗率性的林夏一角而人气上升；4月24日，与黄晓明、张译共同主演的剧情片《匹夫》上映，她在片中饰演性格火辣无比的方梓珍；10月，与宋佳、梅婷合作主演的都市轻喜剧《大男当婚》播出，她在剧中饰演具有母性光辉的单身辣妈刘晨曦，该剧播出期间收视率位居同时段第一；同年，在“80后新生代娱乐大明星”评选活动中，张歆艺被评选为“新四小花旦”之一；之后，参加央视中秋晚会，并演唱歌曲《嘀嗒》；12月，在安徽卫视国剧盛典上，获得年度飞跃演员奖。

2013年1月，主演微电影《遇见真实的自己》；5月10日，与陈宝国、斯琴高娃共同主演的年代剧《大宅门1912》播出，她在剧中饰演思想独立，兼具美貌和胆识的路青青，该剧在北京卫视、天津卫视的收视率突破10%；同年，在都市情感剧《老公的春天》中饰演80后剩女莫小莉；12月，主演都市爱情轻喜剧《甜蜜都市》。

2014年1月，与蒋欣、童瑶共同主演都市情感剧《新闺蜜时代》，在剧中饰演个性爽朗大方的设计师韩文静；6月，出演爱情偶像剧《绝爱》，在剧中饰演犀利正派的女律师邹雨；11月，客串网剧《怪咖啡》，饰演咖啡店老板的前女友李啦；4月，与陈宝国、李小冉、印小天共同主演的年代剧《大河儿女》播出，她在剧中饰演泼辣风骚的拉纤帮女汉子六姑，并凭借在该剧中的表现获得国剧盛典观众最喜爱剧中角色女演员奖；同年，与黄觉、孙菲菲、黄勐共同主演都市青春励志剧《把生米做成熟饭》；11月8日，与袁弘、江珊、孙淳合作出演都市情感剧《真相》。

2015年3月，与李晨、陈赫、张萌合作主演都市情感剧《三个奶爸》，在剧中饰演高智商高情商的律政女强人陶语桐；同年，与何润东、秦昊、张梓琳合作出演喜剧电影《爱情麻辣烫之情定终身》。

2016年2月，主演的历史剧《解忧公主》播出，她在剧中饰演外表大气洒脱，内心却十分感性的汉朝公主解忧，该剧也是张歆艺参演的首部古装电视剧 ；5月15日，主演的都市青春励志剧《好想好想爱上你》播出，她在剧中饰演在社会底层摸爬滚打的小人物夏晓云；同年，主演都市轻喜剧《她很漂亮》，在剧中饰演霸道女总裁张晓娜；10月17日，参演的古装喜剧《欢喜密探》播出；11月7日，与张静初、秦岚共同主演的都市情感剧《咱们相爱吧》播出，她在剧中饰演气场强大的女强人潘芝芝。

2017年6月，加盟东方卫视明星旅行体验综艺节目《旅途的花样》。2018年2月9日，执导并主演的爱情片《泡芙小姐》全国公映，她在片中饰演泡芙小姐，这是她导演的首部电影作品；4月28日，与陈伟霆、林允、胡军、倪大红等合作主演由哈斯朝鲁执导的传奇冒险电影《战神纪》全国公映。她在片中饰演朵歹。

2019年8月5日，真人秀《做家务的男人》节目组邀请了张歆艺夫妇等来探讨家庭成员间如何形成更加亲密的关系；2019年12月1日，参演的都市情感轻喜剧《热爱》播出。