2009年，张馨予拍摄由其代言公司策划的《赤壁·铜雀台》代言《铜雀台》、网游《穿越火线》生化宝贝、百威FIFA世界杯足球宝贝等品牌，并多次参加湖南卫视《快乐大本营》等节目。 2010年张馨予参演首部电影作品《非诚勿扰2》，在影片中出演艺人馨予一角。据张馨予本人透露，能够接到冯小刚的邀约非常意外，两人也仅是在一次红毯上有一面之缘。原以为自己在表演的时候压力会很大，但到了片场和导演、演员接触之后完全打消了这样的顾虑。 2011年张馨予开始频频亮相大银幕，由其主演和参演的电影《宅男总动员》、《不怕贼惦记》、《龙门飞甲》、《夏日恋神马》于2011年上映。《车在囧途》、《家办喜事》、《河东狮吼》等四部电影也已拍摄。 2013年张馨予在电影《粉红女郎》中出演“男人婆”的角色。 同年，在由唐季礼监制，鞠觉亮导演的中国国产历史电视连续剧《精忠岳飞》中饰演抗金女英雄梁红玉一角，诠释了一位能文能武，琴棋书画样样精通，排兵布阵不在话下的巾帼英雄形象。 在赖水清担任总导演，改编自金庸同名小说《天龙八部》中饰演丐帮副帮主马大元之妻康敏。在宁财神编剧的电视剧《龙门镖局》中客串出演杨思维一角。在由山东影视集团（山东电影电视剧制作中心）出品的电视剧《到爱的距离》中饰演许楠一角。2014年年初，由简远信编剧的古装神话魔幻电视剧《封神英雄榜》登陆各大卫视，并持续收视冠军宝座，张馨予在剧中饰演苏妲己、胡仙儿二角。同年，在陈晓版《神雕侠侣》中饰演小龙女师姐赤练仙子李莫愁。 在韩栋版《鹿鼎记》中饰演韦小宝七个老婆之一的苏荃。 在范冰冰版《武媚娘传奇》中饰演唐高宗李治的宠妃萧淑妃，翩若惊鸿婉若游龙，继饰演李莫愁、妲己和马夫人之后再次饰演蛇蝎美人。 2015年与李佳航合作的电视剧《奋囧》 播出，在剧中饰演女主角顾阡陌。由湖南芒果娱乐有限公司出品时装剧《只因单身在一起》中饰演女强人林曼妮一角。2月17日，参加央视网络春晚年会现场，同胡夏演唱歌曲《问世间》。 4月27日，张馨予正式代言畅游移动多职业无限制3D ARPG动作手游《大唐双龙传》。 6月，代言趣游时代2015年度3D暗黑仙侠作《佛本是道》 。8月，入围第17届华鼎奖古装剧最佳女主角提名。 同时参演的由饶俊编剧、徐海乔联袂主演的玄幻新媒体剧《昆仑阙之前世今生》在横店杀青。同年9月，由黄祖权导演、陈同勋担任造型执导、张馨予、朱一龙联袂主演的改编自古龙小说《边城浪子》顺利杀青，在剧中饰演武林第一美女马芳铃；同月受邀参加第72届威尼斯电影节。 同年参演文隽监制的电影《魔卡行动》，饰演女主角李菲菲 。10月14日，张馨予代言9377平台旗下的即时战斗网页游戏《皇图》。 10月16日宣布代言游族网络发行的手机游戏《超时空机战》。 2016年1月搭档马可、易烊千玺、杜淳、斓曦等出演青春古装传奇剧《思美人》 ；同年与马可、韩彩英、Pong等中泰意韩明星共同出演的偶像剧《重生之名流巨星》播出 。2月8日，与张哲瀚、景甜合作的历史古装大戏《班淑传奇》将正式登陆央视八套黄金档，在剧中饰演“刘萱”一角 。2016年2月，客串网络剧《半妖倾城》，饰演瑾太妃 。