2004年，張歆藝出演個人首部電視劇《風吹云動星不動》，在劇中飾演馳名上海灘的紅妓林墨琴，并由此開始演藝生涯；同年，成為北京鑫寶源影視投資有限公司的簽約演員。2005年，在都市愛情劇《給我一支煙》中飾演一位混跡于風塵情場的女子。
2006年，客串古裝情景喜劇《武林外傳》；同年，與王志文、王志飛合作主演抗日題材的電視劇《龍虎人生》，在劇中飾演受過優良教育的大家閨秀何雪珍。
2007年，出演愛情劇《五月的鮮花》，在劇中改變戲路，飾演命運坎坷的鄉村教師謝雨，該劇播出后在遼寧、山東等地獲得收視冠軍；3月，與王學兵、王慶祥合作主演的懸疑劇《羊城暗哨》播出，她在劇中飾演由烈士遺孤成長起來的解放軍女政委竇倌；6月，出演個人首部電影《夜·上海》；同年，在《我們無處安放的青春》中飾演為愛癡狂的烈性奇女子杜曉彬；12月，獲得《北京青年周刊》頒發的BQ年度紅人榜“年度潛力紅人獎”。
2008年，與沈佳妮、陳思成、張子晨合作主演情感劇《愛是一顆幸福的子彈》，在劇中飾演個性沖動、敢愛敢恨的衛鐵民；6月，在愛情劇《天地有愛》中飾演追求真愛的保險從業員莊然；同年，在家庭倫理劇《小家大事》中飾演與父親相依為命的宋盈盈，并演唱該劇的片尾曲《我要的幸福》以及插曲《覺得》。
2009年，在諜戰劇《蘇菲的供詞》中飾演內心糾結的女間諜蘇菲，這也是她首度出演女間諜類型的角色；6月，搭檔賈一平主演都市情感懸疑劇《燃燒的玫瑰》；7月，與靳東、石天琦、孟瑤等聯袂主演民國劇《風雨上海灘》，在劇中飾演個性堅強的杜秋月；同年，與王學兵、李光潔共同主演中國首部反映醫療黑幕的電視劇《柳葉刀》，在劇中飾演為調查妹妹死因而潛入醫院的心外科實習醫生許曼。
2010年1月，在愛情倫理劇《新拿什么拯救你，我的愛人》中飾演堅強自立、對于感情積極爭取的羅晶晶；2月，在侶皓吉吉推出的MV《夏天的臉》中擔任女主角；同年，在廖凡、胡可共同主演的諜戰劇《風聲傳奇》中飾演身手了得、專業素質極高的資深女間諜顧小夢。
2011年5月，憑借諜戰劇《風聲傳奇》獲得搜狐春季電視劇互聯網盛典最具號召力女演員獎；7與，搭檔湯鎮宗主演諜戰劇《紅妝》，在劇中演繹了一位柔弱的女性如何隱姓埋名從事情報工作；10月，在與范偉、王雅捷聯袂主演的都市輕喜劇《先結婚后戀愛》中飾演時尚靚麗的都市辣媽喬麥 ；12月5日，與潘虹、張譯共同主演的家庭倫理劇《新上門女婿》播出，她在劇中飾演熱情爽朗，性格倔強火爆的富二代鐘卉；同年，在優酷大劇盛典上，獲得優酷指數最具收視號召力女演員獎。
2012年，因在都市愛情劇《北京愛情故事》中塑造了爽朗率性的林夏一角而人氣上升；4月24日，與黃曉明、張譯共同主演的劇情片《匹夫》上映，她在片中飾演性格火辣無比的方梓珍；10月，與宋佳、梅婷合作主演的都市輕喜劇《大男當婚》播出，她在劇中飾演具有母性光輝的單身辣媽劉晨曦，該劇播出期間收視率位居同時段第一；同年，在“80后新生代娛樂大明星”評選活動中，張歆藝被評選為“新四小花旦”之一；之后，參加央視中秋晚會，并演唱歌曲《嘀嗒》；12月，在安徽衛視國劇盛典上，獲得年度飛躍演員獎。
2013年1月，主演微電影《遇見真實的自己》；5月10日，與陳寶國、斯琴高娃共同主演的年代劇《大宅門1912》播出，她在劇中飾演思想獨立，兼具美貌和膽識的路青青，該劇在北京衛視、天津衛視的收視率突破10%；同年，在都市情感劇《老公的春天》中飾演80后剩女莫小莉；12月，主演都市愛情輕喜劇《甜蜜都市》。
2014年1月，與蔣欣、童瑤共同主演都市情感劇《新閨蜜時代》，在劇中飾演個性爽朗大方的設計師韓文靜；6月，出演愛情偶像劇《絕愛》，在劇中飾演犀利正派的女律師鄒雨；11月，客串網劇《怪咖啡》，飾演咖啡店老板的前女友李啦；4月，與陳寶國、李小冉、印小天共同主演的年代劇《大河兒女》播出，她在劇中飾演潑辣風騷的拉纖幫女漢子六姑，并憑借在該劇中的表現獲得國劇盛典觀眾最喜愛劇中角色女演員獎；同年，與黃覺、孫菲菲、黃勐共同主演都市青春勵志劇《把生米做成熟飯》；11月8日，與袁弘、江珊、孫淳合作出演都市情感劇《真相》。
2015年3月，與李晨、陳赫、張萌合作主演都市情感劇《三個奶爸》，在劇中飾演高智商高情商的律政女強人陶語桐；同年，與何潤東、秦昊、張梓琳合作出演喜劇電影《愛情麻辣燙之情定終身》。
2016年2月，主演的歷史劇《解憂公主》播出，她在劇中飾演外表大氣灑脫，內心卻十分感性的漢朝公主解憂，該劇也是張歆藝參演的首部古裝電視劇 ；5月15日，主演的都市青春勵志劇《好想好想愛上你》播出，她在劇中飾演在社會底層摸爬滾打的小人物夏曉云；同年，主演都市輕喜劇《她很漂亮》，在劇中飾演霸道女總裁張曉娜；10月17日，參演的古裝喜劇《歡喜密探》播出；11月7日，與張靜初、秦嵐共同主演的都市情感劇《咱們相愛吧》播出，她在劇中飾演氣場強大的女強人潘芝芝。
2017年6月，加盟東方衛視明星旅行體驗綜藝節目《旅途的花樣》。2018年2月9日，執導并主演的愛情片《泡芙小姐》全國公映，她在片中飾演泡芙小姐，這是她導演的首部電影作品；4月28日，與陳偉霆、林允、胡軍、倪大紅等合作主演由哈斯朝魯執導的傳奇冒險電影《戰神紀》全國公映。她在片中飾演朵歹。
2019年8月5日，真人秀《做家務的男人》節目組邀請了張歆藝夫婦等來探討家庭成員間如何形成更加親密的關系；2019年12月1日，參演的都市情感輕喜劇《熱愛》播出。
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