2001年，張韶涵回到臺灣發展事業，與福茂唱片簽約，成為旗下簽約藝人；同年，與顏行書、孫協志領銜主演青春愛情偶像劇《永不言棄》（又名《MVP情人》），在劇中飾演精研籃球戰術卻不會打籃球的女主角田羽希，這是她的首部電視劇作品，從而正式進入演藝圈。
2003年，與許紹洋、霍建華合作主演愛情勵志偶像劇《海豚灣戀人》，在劇中飾演擁有過人天賦、夢想成為歌手的女主角易天邊 ，并為該劇演唱了插曲《Journey》及片尾曲《遺失的美好》；同年，完成了個人的主持處女秀，擔任了三立都會臺行腳類旅游類節目《中國那么大》的外景主持人。
2004年1月6日，推出首張個人音樂專輯《Over The Rainbow》，收錄了包括《寓言》、《遺失的美好》等在內的12首歌曲，她則憑借該專輯獲得了天地英雄校園票選頒獎典禮新聲報到獎、第11屆全球華語榜中榜港臺地區最受歡迎新晉歌手獎、第5屆音樂風云榜最佳新人獎等多個獎項；同年，擔任動畫電影《怪物史萊克》的中文配音工作，為費歐娜公主進行配音；9月3日，推出與潘瑋柏合唱的歌曲《快樂崇拜》；12月1日，推出第2張個人音樂專輯《歐若拉》，收錄了包括同名主打歌《歐若拉》、《手心的太陽》等在內的11首歌曲，她則憑借該專輯入圍了第16屆臺灣金曲獎最佳國語女演唱人獎，其中歌曲《歐若拉》還獲得了MusicRadio中國TOP排行榜港臺年度金曲獎；此外，她還受邀參加韓國SBS電視臺“Kim Yoon A's Music wave（金潤兒的音樂潮流）”的演出，成為第一個踏上SBS音樂節目舞臺的華人歌手。
2005年，與彭于晏、董敏莉、張智堯聯袂主演青春愛情偶像劇《海豚愛上貓》，在劇中飾演對徐蔚無微不至的英子；3月，出版個人首本寫真書《奇跡安琪拉》；6月3日，推出與范瑋琪合唱的歌曲《如果的事》，收錄于范瑋琪的個人專輯《一比一》中 ；8月11日，與古巨基、任泉聯袂主演的青春愛情電影《短信一月追》上映，在片中飾演女主角雪薇，這是她的首部電影作品；9月，與董浩搭檔主持中央電視臺“尼克·孩子的選擇歡樂盛典”；11月26日，參加在上海舉行的百年唱片巨星演唱會；12月，參加“夢想 盛開天地”上海新天地倒計時晚會；此外，她還為網絡游戲《快樂西游》中的快樂公主進行配音。
2006年1月6日，推出第3張個人音樂專輯《潘朵拉》，收錄了包括《隱形的翅膀》、《香水百合》等在內的11首歌曲，而她則憑借該專輯入圍了第18屆臺灣金曲獎最佳國語女歌手獎、獲得第13屆華語榜中榜港臺地區最受歡迎女歌手獎、MusicRadio中國TOP排行榜港臺地區最受歡迎女歌手獎等多個獎項，其中歌曲《隱形的翅膀》不僅獲得了第14屆北京流行音樂典禮年度金曲獎、KKBox頒獎典禮年度20大單曲、第13屆華語榜中榜年度最佳歌曲獎、MusicRadio中國TOP排行榜港臺地區點播冠軍曲等多個獎項，還成為了2009年北京高考作文的題目，這也是首次以流行歌曲命名的高考作文題目；2月19日，其主演的校園驚悚偶像劇《愛殺17》首播，在劇中一人分飾二角，飾演了雙胞胎姐妹徐宜真和徐宜靜，她則憑借該劇入圍第41屆臺灣電視金鐘獎戲劇節目最佳女主角獎；同年，舉行“百變新勢力”世界巡回演唱會。
2007年1月12日，推出第4張個人音樂專輯《夢里花》，收錄了包括同名主打歌《夢里花》、《其實很愛你》等在內的11首歌曲 ，她則憑借該專輯獲得了第5屆東南勁爆音樂榜港臺最受歡迎女歌手獎、新加坡金曲獎最佳演繹女歌手獎、年度全方位藝人獎、年度舞臺魅力獎、最炫專輯造型獎等多個獎項；2月17日，首度登上中央電視臺春節聯歡晚會的舞臺，演唱了勵志歌曲《隱形的翅膀》；4月28日，推出個人單曲《絕不》，并作為東方衛視選秀娛樂節目《加油！好男兒》的加油歌；6月29日，推出與郭靜、范瑋琪合唱的歌曲《仨人》，收錄于郭靜的個人專輯《我不想忘記你》中；8月7日，其出演的抗戰劇《烽火孤兒》播出，在劇中飾演美麗善良、勇敢自信的音樂老師邵韓；9月16日，與吳尊、辰亦儒、胡宇崴合作主演的青春愛情偶像劇《公主小妹》首播，在劇中飾演個性積極樂觀、心地善良的女主角皇甫珊；12月14日，推出第5張個人音樂專輯《Ang 5.0》，收錄了包括《親愛的那不是愛情》、《不想懂得》等在內的10首歌曲，她則憑借該專輯獲得了中國原創音樂流行榜最受歡迎港臺女歌手、傳媒推薦大獎；此外，她演唱的歌曲《口袋的天空》入選了日本教材，被收錄于書籍《通過唱歌記住中國話》中，而歌曲《香水百合》則成為日本電視節目《NHK中國語會話》的主題曲。
2008年1月，擔任三立都會臺《完全娛樂》的代班主持；5月2日，推出與蘇打綠合唱的歌曲《藍眼睛》，收錄于蘇打綠的專輯《陪我歌唱》中；9月14日，參加中央電視臺中秋晚會；10月，憑借電視劇《公主小妹》獲得第43屆臺灣電視金鐘獎戲劇節目女主角獎的提名；11月1日，獲得風尚嘉年華年度音樂偶像風尚人物獎；11月15日，擔任江蘇衛視選秀娛樂節目《絕對唱響》總決賽的評委；12月20日，擔任“愛·任賢齊08演唱會”杭州站的表演嘉賓，并與任賢齊合唱了歌曲《隱形的翅膀》。
2009年7月21日，推出與庾澄慶合唱的歌曲《非常完美》，并作為同名電影《非常完美》的主題曲；9月25日，推出第6張個人音樂專輯《第5季》，收錄了包括《白白的》、《看得最遠的地方》等在內的10首歌曲，她則憑借該專輯獲得中國原創音樂流行榜臺灣最受歡迎女歌手獎、全國DJ投票卓越表現大獎，而歌曲《白白的》則獲得港臺金曲獎；10月3日，參加中央電視臺“宜春月·中華情”中秋晚會，演唱了歌曲《Over the rainbow》（《彩虹深處》）；10月25日，獲得新浪網絡盛典最佳港臺音樂人獎；12月，參加安徽衛視元旦晚會的錄制，并演唱了歌曲《隱形的翅膀》；12月31日，參加江蘇衛視2009-2010跨年演唱會。
2010年，舉行“聲動2010張韶涵潘朵拉星球巡回演唱會”；5月，參演音樂劇《城市之窗》；8月18日，推出個人單曲《瞬間移動》；9月22日，參加中央電視臺“蕪湖月·中華情”中秋晚會，演唱了歌曲《看得最遠的地方》；12月8日，推出與林俊杰合唱的歌曲《保護色》，收錄于林俊杰的專輯《她說》中；此外，她還出版了個人首本演唱會寫真書《張韶涵 潘朵拉星球演唱會》。
2011年2月21日，為電視劇《幸福最晴天》演唱的片尾曲《傷日快樂》正式上線；隨后，與張孝全合作主演短片《256巷14號5樓之1》；4月20日，為網絡劇《烏托邦辦公室》演唱的主題曲《誰的烏托邦》正式上線；5月，擔任湖南衛視舞蹈競技真人秀節目《舞動奇跡第三季》的評委；7月，出版個人第2本散文寫真書《美麗的游離》；10月19日，張韶涵宣布與福茂唱片、青田經紀公司合約到期。
2012年5月11日，與張柏芝、權相佑、景甜、井柏然聯合主演的愛情電影《影子愛人》首映，在片中飾演被日本人領養的中國女生美惠子；7月20日，正式簽約美妙音樂，并推出個人電子流行單曲《That Girl》；9月30日，受邀參加中央電視臺中秋晚會，演唱了歌曲《最近好嗎》；10月12日，推出第7張個人音樂專輯《有形的翅膀》，收錄了包括《有形的翅膀》、《最近好嗎》、《淋雨一直走》等在內的11首歌曲，這也是她簽約美妙音樂后的首張個人音樂專輯，而她則憑借該專輯獲得了MusicRadio中國TOP排行榜港臺年度杰出藝人獎、MusicRadio十年飛躍大獎、第17屆全球華語榜中榜最佳女歌手獎、第13屆音樂風云榜港臺地區最受歡迎女歌手獎等多個獎項。
2013年3月18日，獲得第9屆勁歌王金曲金榜全球華人樂壇音樂盛典港臺最佳女歌手獎；6月2日，獲得Hito流行音樂獎好聲音獎、舞臺演繹獎；同年，參加江蘇衛視音樂真人秀節目《全能星戰》的比賽，最終在“流行節奏之夜”中被淘汰；12月，她還與龔琳娜、黃小琥、順子合唱了《全能星戰》的主題曲《誰怕誰》。
2014年3月7日，推出第8張個人音樂專輯《張韶涵Angela Zhang》，收錄了包括《Ok蹦》、《為愛而活》等在內的11首歌曲，這也是她首張由自己全權負責、打造并做主的專輯，她則憑借該專輯獲得全球華語歌曲排行榜最受歡迎歌手五強、最佳全能藝人獎、年度最佳專輯制作人獎，而專輯則獲得了年度最佳專輯；6月19日，推出與鐘欣潼合唱的歌曲《完整愛》。
2015年，與方力申、惠英紅、雷宇揚合作主演驚悚電影《碟仙詭譚2》，在片中飾演女主角喬巧，該片于2017年3月10日上映，上映首周便突破了1千萬元人民幣的票房；同年，舉行“純粹張韶涵2015世界巡回演唱會”，這也是她時隔5年后再度舉行巡回演唱會；11月，作為原唱嘉賓參加愛奇藝音樂模唱綜藝節目《隱藏的歌手》的錄制。
2016年1月20日，其出演的都市懸疑劇《尋找愛的冒險》首播，在劇中飾演夏夢尋的太奶奶夏以柔；6月，參加湖南衛視音樂互動類節目《我想和你唱》的錄制，并現場演繹了歌曲《歐若拉》；同年，簽約太合音樂；7月12日，推出第9張個人音樂專輯《全面淪陷》，收錄了包括《不害怕》、《還記得嗎》等在內的10首歌曲，并親自擔任制作總監，她則憑借該專輯獲得了MusicRadio中國TOP排行榜港臺年度最佳女歌手獎、MusicRadio全球流行音樂年度盛典年度最受歡迎女歌手獎等多個獎項 。
2017年4月，獲得第5屆音悅V榜年度盛典百度年度熱搜藝獎、港臺最佳女歌手獎；6月4日，獲得Hito流行音樂獎Hit Fm最具舞臺風格大獎；同年，舉行“純粹Remix張韶涵2017世界巡回演唱會”；9月，化名為“閑不住的鐵娘子”參加江蘇衛視音樂挑戰類真人秀節目《蒙面唱將猜猜猜第二季》的錄制；10月30日，為電視劇《獨步天下》演唱的片尾曲《傳世之愛》正式上線；11月，參加江蘇衛視原創音樂創意秀節目《不凡的改變》的錄制。
2018年1月8日，作為首發陣容參加湖南衛視原創歌手競賽真人秀節目《歌手2018》，并成為了該節目的首位女性音樂串講人；1月13日，為電視劇《戀愛先生》演唱的人物主題曲《剩下了自己》正式上線；1月30日，為電影《南極之戀》演唱的推廣曲《沒離開過》發布；4月13日，在經過多輪淘汰賽后，最終獲得《歌手2018》總決賽7強；4月20日，參加湖南衛視《2018歌手金典之夜》，與霍尊合唱了《寓言》；同年，舉行“旅程”世界巡回演唱會；9月22日，為電影《悲傷逆流成河》演唱的主題曲《如河》發布。
2019年1月9日，為電影《熊出沒·原始時代》演唱的主題曲《三萬年之前》正式上線；9月6日，推出個人單曲《引路的風箏》。9月20日發布新專輯第二波單曲《還》。12月18日發行第十張個人專輯《？》。
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