2001年，张韶涵回到台湾发展事业，与福茂唱片签约，成为旗下签约艺人；同年，与颜行书、孙协志领衔主演青春爱情偶像剧《永不言弃》（又名《MVP情人》），在剧中饰演精研篮球战术却不会打篮球的女主角田羽希，这是她的首部电视剧作品，从而正式进入演艺圈。

2003年，与许绍洋、霍建华合作主演爱情励志偶像剧《海豚湾恋人》，在剧中饰演拥有过人天赋、梦想成为歌手的女主角易天边 ，并为该剧演唱了插曲《Journey》及片尾曲《遗失的美好》；同年，完成了个人的主持处女秀，担任了三立都会台行脚类旅游类节目《中国那么大》的外景主持人。

2004年1月6日，推出首张个人音乐专辑《Over The Rainbow》，收录了包括《寓言》、《遗失的美好》等在内的12首歌曲，她则凭借该专辑获得了天地英雄校园票选颁奖典礼新声报到奖、第11届全球华语榜中榜港台地区最受欢迎新晋歌手奖、第5届音乐风云榜最佳新人奖等多个奖项；同年，担任动画电影《怪物史莱克》的中文配音工作，为费欧娜公主进行配音；9月3日，推出与潘玮柏合唱的歌曲《快乐崇拜》；12月1日，推出第2张个人音乐专辑《欧若拉》，收录了包括同名主打歌《欧若拉》、《手心的太阳》等在内的11首歌曲，她则凭借该专辑入围了第16届台湾金曲奖最佳国语女演唱人奖，其中歌曲《欧若拉》还获得了MusicRadio中国TOP排行榜港台年度金曲奖；此外，她还受邀参加韩国SBS电视台“Kim Yoon A's Music wave（金润儿的音乐潮流）”的演出，成为第一个踏上SBS音乐节目舞台的华人歌手。

2005年，与彭于晏、董敏莉、张智尧联袂主演青春爱情偶像剧《海豚爱上猫》，在剧中饰演对徐蔚无微不至的英子；3月，出版个人首本写真书《奇迹安琪拉》；6月3日，推出与范玮琪合唱的歌曲《如果的事》，收录于范玮琪的个人专辑《一比一》中 ；8月11日，与古巨基、任泉联袂主演的青春爱情电影《短信一月追》上映，在片中饰演女主角雪薇，这是她的首部电影作品；9月，与董浩搭档主持中央电视台“尼克·孩子的选择欢乐盛典”；11月26日，参加在上海举行的百年唱片巨星演唱会；12月，参加“梦想 盛开天地”上海新天地倒计时晚会；此外，她还为网络游戏《快乐西游》中的快乐公主进行配音。

2006年1月6日，推出第3张个人音乐专辑《潘朵拉》，收录了包括《隐形的翅膀》、《香水百合》等在内的11首歌曲，而她则凭借该专辑入围了第18届台湾金曲奖最佳国语女歌手奖、获得第13届华语榜中榜港台地区最受欢迎女歌手奖、MusicRadio中国TOP排行榜港台地区最受欢迎女歌手奖等多个奖项，其中歌曲《隐形的翅膀》不仅获得了第14届北京流行音乐典礼年度金曲奖、KKBox颁奖典礼年度20大单曲、第13届华语榜中榜年度最佳歌曲奖、MusicRadio中国TOP排行榜港台地区点播冠军曲等多个奖项，还成为了2009年北京高考作文的题目，这也是首次以流行歌曲命名的高考作文题目；2月19日，其主演的校园惊悚偶像剧《爱杀17》首播，在剧中一人分饰二角，饰演了双胞胎姐妹徐宜真和徐宜静，她则凭借该剧入围第41届台湾电视金钟奖戏剧节目最佳女主角奖；同年，举行“百变新势力”世界巡回演唱会。

2007年1月12日，推出第4张个人音乐专辑《梦里花》，收录了包括同名主打歌《梦里花》、《其实很爱你》等在内的11首歌曲 ，她则凭借该专辑获得了第5届东南劲爆音乐榜港台最受欢迎女歌手奖、新加坡金曲奖最佳演绎女歌手奖、年度全方位艺人奖、年度舞台魅力奖、最炫专辑造型奖等多个奖项；2月17日，首度登上中央电视台春节联欢晚会的舞台，演唱了励志歌曲《隐形的翅膀》；4月28日，推出个人单曲《绝不》，并作为东方卫视选秀娱乐节目《加油！好男儿》的加油歌；6月29日，推出与郭静、范玮琪合唱的歌曲《仨人》，收录于郭静的个人专辑《我不想忘记你》中；8月7日，其出演的抗战剧《烽火孤儿》播出，在剧中饰演美丽善良、勇敢自信的音乐老师邵韩；9月16日，与吴尊、辰亦儒、胡宇崴合作主演的青春爱情偶像剧《公主小妹》首播，在剧中饰演个性积极乐观、心地善良的女主角皇甫珊；12月14日，推出第5张个人音乐专辑《Ang 5.0》，收录了包括《亲爱的那不是爱情》、《不想懂得》等在内的10首歌曲，她则凭借该专辑获得了中国原创音乐流行榜最受欢迎港台女歌手、传媒推荐大奖；此外，她演唱的歌曲《口袋的天空》入选了日本教材，被收录于书籍《通过唱歌记住中国话》中，而歌曲《香水百合》则成为日本电视节目《NHK中国语会话》的主题曲。

2008年1月，担任三立都会台《完全娱乐》的代班主持；5月2日，推出与苏打绿合唱的歌曲《蓝眼睛》，收录于苏打绿的专辑《陪我歌唱》中；9月14日，参加中央电视台中秋晚会；10月，凭借电视剧《公主小妹》获得第43届台湾电视金钟奖戏剧节目女主角奖的提名；11月1日，获得风尚嘉年华年度音乐偶像风尚人物奖；11月15日，担任江苏卫视选秀娱乐节目《绝对唱响》总决赛的评委；12月20日，担任“爱·任贤齐08演唱会”杭州站的表演嘉宾，并与任贤齐合唱了歌曲《隐形的翅膀》。

2009年7月21日，推出与庾澄庆合唱的歌曲《非常完美》，并作为同名电影《非常完美》的主题曲；9月25日，推出第6张个人音乐专辑《第5季》，收录了包括《白白的》、《看得最远的地方》等在内的10首歌曲，她则凭借该专辑获得中国原创音乐流行榜台湾最受欢迎女歌手奖、全国DJ投票卓越表现大奖，而歌曲《白白的》则获得港台金曲奖；10月3日，参加中央电视台“宜春月·中华情”中秋晚会，演唱了歌曲《Over the rainbow》（《彩虹深处》）；10月25日，获得新浪网络盛典最佳港台音乐人奖；12月，参加安徽卫视元旦晚会的录制，并演唱了歌曲《隐形的翅膀》；12月31日，参加江苏卫视2009-2010跨年演唱会。

2010年，举行“声动2010张韶涵潘朵拉星球巡回演唱会”；5月，参演音乐剧《城市之窗》；8月18日，推出个人单曲《瞬间移动》；9月22日，参加中央电视台“芜湖月·中华情”中秋晚会，演唱了歌曲《看得最远的地方》；12月8日，推出与林俊杰合唱的歌曲《保护色》，收录于林俊杰的专辑《她说》中；此外，她还出版了个人首本演唱会写真书《张韶涵 潘朵拉星球演唱会》。

2011年2月21日，为电视剧《幸福最晴天》演唱的片尾曲《伤日快乐》正式上线；随后，与张孝全合作主演短片《256巷14号5楼之1》；4月20日，为网络剧《乌托邦办公室》演唱的主题曲《谁的乌托邦》正式上线；5月，担任湖南卫视舞蹈竞技真人秀节目《舞动奇迹第三季》的评委；7月，出版个人第2本散文写真书《美丽的游离》；10月19日，张韶涵宣布与福茂唱片、青田经纪公司合约到期。

2012年5月11日，与张柏芝、权相佑、景甜、井柏然联合主演的爱情电影《影子爱人》首映，在片中饰演被日本人领养的中国女生美惠子；7月20日，正式签约美妙音乐，并推出个人电子流行单曲《That Girl》；9月30日，受邀参加中央电视台中秋晚会，演唱了歌曲《最近好吗》；10月12日，推出第7张个人音乐专辑《有形的翅膀》，收录了包括《有形的翅膀》、《最近好吗》、《淋雨一直走》等在内的11首歌曲，这也是她签约美妙音乐后的首张个人音乐专辑，而她则凭借该专辑获得了MusicRadio中国TOP排行榜港台年度杰出艺人奖、MusicRadio十年飞跃大奖、第17届全球华语榜中榜最佳女歌手奖、第13届音乐风云榜港台地区最受欢迎女歌手奖等多个奖项。

2013年3月18日，获得第9届劲歌王金曲金榜全球华人乐坛音乐盛典港台最佳女歌手奖；6月2日，获得Hito流行音乐奖好声音奖、舞台演绎奖；同年，参加江苏卫视音乐真人秀节目《全能星战》的比赛，最终在“流行节奏之夜”中被淘汰；12月，她还与龚琳娜、黄小琥、顺子合唱了《全能星战》的主题曲《谁怕谁》。

2014年3月7日，推出第8张个人音乐专辑《张韶涵Angela Zhang》，收录了包括《Ok蹦》、《为爱而活》等在内的11首歌曲，这也是她首张由自己全权负责、打造并做主的专辑，她则凭借该专辑获得全球华语歌曲排行榜最受欢迎歌手五强、最佳全能艺人奖、年度最佳专辑制作人奖，而专辑则获得了年度最佳专辑；6月19日，推出与钟欣潼合唱的歌曲《完整爱》。

2015年，与方力申、惠英红、雷宇扬合作主演惊悚电影《碟仙诡谭2》，在片中饰演女主角乔巧，该片于2017年3月10日上映，上映首周便突破了1千万元人民币的票房；同年，举行“纯粹张韶涵2015世界巡回演唱会”，这也是她时隔5年后再度举行巡回演唱会；11月，作为原唱嘉宾参加爱奇艺音乐模唱综艺节目《隐藏的歌手》的录制。

2016年1月20日，其出演的都市悬疑剧《寻找爱的冒险》首播，在剧中饰演夏梦寻的太奶奶夏以柔；6月，参加湖南卫视音乐互动类节目《我想和你唱》的录制，并现场演绎了歌曲《欧若拉》；同年，签约太合音乐；7月12日，推出第9张个人音乐专辑《全面沦陷》，收录了包括《不害怕》、《还记得吗》等在内的10首歌曲，并亲自担任制作总监，她则凭借该专辑获得了MusicRadio中国TOP排行榜港台年度最佳女歌手奖、MusicRadio全球流行音乐年度盛典年度最受欢迎女歌手奖等多个奖项 。

2017年4月，获得第5届音悦V榜年度盛典百度年度热搜艺奖、港台最佳女歌手奖；6月4日，获得Hito流行音乐奖Hit Fm最具舞台风格大奖；同年，举行“纯粹Remix张韶涵2017世界巡回演唱会”；9月，化名为“闲不住的铁娘子”参加江苏卫视音乐挑战类真人秀节目《蒙面唱将猜猜猜第二季》的录制；10月30日，为电视剧《独步天下》演唱的片尾曲《传世之爱》正式上线；11月，参加江苏卫视原创音乐创意秀节目《不凡的改变》的录制。

2018年1月8日，作为首发阵容参加湖南卫视原创歌手竞赛真人秀节目《歌手2018》，并成为了该节目的首位女性音乐串讲人；1月13日，为电视剧《恋爱先生》演唱的人物主题曲《剩下了自己》正式上线；1月30日，为电影《南极之恋》演唱的推广曲《没离开过》发布；4月13日，在经过多轮淘汰赛后，最终获得《歌手2018》总决赛7强；4月20日，参加湖南卫视《2018歌手金典之夜》，与霍尊合唱了《寓言》；同年，举行“旅程”世界巡回演唱会；9月22日，为电影《悲伤逆流成河》演唱的主题曲《如河》发布。

2019年1月9日，为电影《熊出没·原始时代》演唱的主题曲《三万年之前》正式上线；9月6日，推出个人单曲《引路的风筝》。9月20日发布新专辑第二波单曲《还》。12月18日发行第十张个人专辑《？》。