2009年,张馨予担任世界杯足球宝贝,并拍摄了多个网游广告,开始受到大众关注；同年,她在情景剧《青春进行时》中饰演了海归女孩张珍妮,而这也是她的首部影视剧作品。2010年,出演由冯小刚执导的爱情喜剧片《非诚勿扰2》,在片中饰演热心环保事业的美女明星馨予。2011年2月,与刘涛,陈楚河合作主演的都市爱情剧《钱多多嫁人记》播出,在剧中饰演生活富足但并不快乐的蒋依依；4月,在爱情喜剧片《宅男总动员：女神归来》中,饰演像雪花一样浪漫单纯的女孩赵敏；8月,主演时尚爱情剧《夏日恋神马》,在剧中饰演男孩们的梦中女神小予；11月,搭档吴刚主演剧情片《不怕贼惦记》,在片中饰演年轻貌美的女骗子青花,该片入围第24届东京国际电影节亚洲之风单元；12月,出演徐克执导的3D武侠片《龙门飞甲》,饰演了千娇百媚却心如蛇蝎的万贵妃。2012年1月,搭档郭德纲主演喜剧片《车在囧途》,在片中饰演懂事体贴的邻家女孩伊容；8月,与张柏芝,小沈阳合作主演古装喜剧片《河东狮吼Ⅱ》,在片中饰演身手不凡,对爱情很执着的刘香。2013年7月,出演唐季礼监制的古装历史剧《精忠岳飞》,饰演能文能武的抗金女英雄梁红玉；8月,主演爱情喜剧片《粉红女郎·爱人快跑》,在片中饰演成天只想着工作的“男人婆”；10月,在医疗剧《到爱的距离》中,饰演遭到舆论恶意攻击的女孩许楠；11月,搭档韩栋主演古装剧《鹿鼎记》,在剧中饰演颇具魄力和智慧的苏荃；12月,与钟汉良合作主演金庸武侠剧《天龙八部》,在片中饰演丐帮副帮主马大元的妻子康敏。2014年1月,主演古装神话剧《封神英雄榜》,在剧中一人分饰两角,分别扮演温婉善良的大家闺秀苏妲己和妖娆魅惑的九尾狐胡仙儿,并凭借该剧获得第17届华鼎奖古装剧最佳女主角奖提名；12月,与陈晓,陈妍希共同主演武侠剧《神雕侠侣》,在剧中饰演小龙女的师姐赤练仙子李莫愁；随后,在古装剧《武媚娘传奇》中饰演专横跋扈且宠冠后宫的萧淑妃。2015年,与李佳航搭档主演都市励志剧《奋囧》,在剧中饰演努力备战公务员考试的女孩顾阡陌；同年,在时装剧《只因单身在一起》中,饰演出生贫寒却力争上游的女强人林曼妮；10月,主演的古装爱情剧《班淑传奇》播出,在剧中饰演没落宗室之女刘萱。2016年3月,与马可,徐海乔合作主演的悬疑爱情剧《重生之名流巨星》播出,在剧中饰演个性爽朗的小天后柳艺；7月,与朱一龙搭档主演武侠剧《新边城浪子》,在剧中饰演武林第一美女马芳铃；8月,主演动作喜剧片《魔卡行动》,在片中饰演个性独立且精通多国语言的女主角李菲菲；9月,参加第72届威尼斯国际电影节。2017年,与徐海乔再度合作,主演玄幻剧《昆仑阙之前世今生》,在剧中饰演经历宿世姻缘的灵惜；随后,与马可,乔振宇联袂主演古装传奇剧《思美人》,在剧中饰演敢爱敢恨的楚国奇女子莫愁女；同年,与何润东,朱一龙合作主演古装悬疑情感剧《花谢花飞花满天》,在剧中饰演谢家千金谢千寻；此外,她还参与录制了湖南卫视原创军旅成长励志特别节目《奇兵神犬》,与杨烁,沙溢,张大大,姜潮组建明星训犬队,也是通过该节目初识丈夫何捷。2018年1月,出演的古装权谋剧《凤囚凰》播出,在剧中饰演飘逸俊朗,富有谋略的琅琊王氏公子王意之。2019年,出演古装言情剧《小女花不弃》,在剧中饰演花不弃的母亲薛菲。2020年2月18日,出演的都市职场剧《完美关系》播出,在剧中饰演卫哲的前女友裴瑜；5月,出演都市励志剧《幸福,触手可及！》,在剧中饰演周放的闺蜜秦清；10月9日,参与录制的优酷视频脱口秀节目《火星情报局第五季》播出。2021年1月21日,参加录制芒果TV自制女性励志综艺节目《乘风破浪的姐姐第二季》；3月,参与芒果TV娱乐微综艺《芒果酱问大明星》的录制；4月13日,主演的火箭军旅题材剧《号手就位》开播,在剧中饰演心理医师黄文；10月,参加的中国青年报·中青在线与大同市委网信办共同出品的微综艺《中国吸引力·世界大同篇》上线；11月9日,参与录制的红色之路探险体验纪录片《勇敢者的征程》在腾讯视频上线；11月,出演林德禄执导的缉毒题材动作片《隐秘世界》杀青。2022年2月,参加湖南卫视推出的关注女性银发族节目《妈妈,你真好看》的录制；7月27日,主演的民国剧《迷航昆仑墟》播出,在剧中饰演搬山门下弟子崔胭脂；8月10日,主演的民国侦探推理剧《民国大侦探》在爱奇艺播出,在剧中饰演周墨婉；8月,参加由乐华娱乐杜华发起的舞台大赛节目《勇往直前的萌哥探姐》的录制；9月24日,参加由中国移动咪咕独家打造的体育解说选拔综艺节目《沸腾吧！解说员》的录制；11月1日,主演女性情感悬疑剧《危险的她第二季》。2023年6月3日,参加的文化旅游探索体验类真人秀《青春环游记第四季》播出。《神雕侠侣》饰李莫愁《武媚娘传奇》饰萧淑妃《新边城浪子》饰马芳铃《佛本是道》九尾狐《大唐双龙传》婠婠
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