张梓琳出生于军人家庭，在北京市海淀区长大，
从小就身高腿长显现出体育天分，8岁小学六年级时被体育老师推荐到业余体校练习田径，主项是三级跳远和百米跨栏。
1996年考入北京大学附属中学；1998年，获北京市第十届运动会(北京市四年届的市运会)女子100米栏丙组冠军；同年，获北京市第十届运动会女子4X100米接力特别季军；1999年，获全国少年田径分龄赛女子100米跨栏第四名。她曾与刘翔一起接受田径训练，因志不在体育。2002年放弃田径以体育特长生身份进入北京科技大学经济管理系工商管理专业，她身高182cm，在一群男生中格外突出。
2003年非典各大高校停课期间，张梓琳慕名参加了新丝路模特大赛，最后成功进入新丝路模特经纪公司，成为签约模特。2004年，获北京科技大学体育先进个人称号；2006年获北京科技大学人民奖学金四等。
2006年大学本科毕业并获管理学学士学位；在校期间，曾担任北京卫视“搜城记”栏目外景主持人；同年，获得中国时尚
大奖―第九届中国十佳职业时装模特称号，每月拍摄一线时尚类杂志约10―15本，曾是多本主流杂志的封面和内页女郎；参加过众多国内外知名品牌的时装秀，受到时装设计大师ARMANI先生青睐。
2007年1月，荣获新丝路优秀模特称号；6月，以职业名模身份应法国外交部邀请随团中央全国青联组派的中国青年艺术家代表团赴法国进行友好访问；12月，被授予北京科技大学“青年五四奖章”。
2006年11月10日，张梓琳获得世姐总决赛的第一个单项奖季军；
当日，她作为亚洲及南太平洋区代表发言；19日，携手另外105名即将在海南三亚参加第57届世界小姐总决赛的国际佳丽，来到位于北京美术馆后街的乐家轩录音棚，参加北京奥运歌曲《点燃激情传递梦想》英文版录制和MV摄制；24日在三亚举行的第57届世界小姐总决赛之“风雅颂”服装秀上获得最佳模特桂冠。
2007年11月，张梓琳在北京举行的“有目的的美”慈善活动中，献出了珍贵的景德镇陶瓷，并通过慈善拍卖筹集善款，为中国贫困山区建立乡村医疗所。同年12月1日，在海南三亚举办的第57届世界小姐总决赛中，代表中国摘得桂冠，成为历史上首位夺得世界小姐总冠军的中国选手。
2008年，世界小姐冠军任期内，张梓琳代表世界小姐机构周游世界从事慈善公益活动，在任期间募集的善款超过3200万美元，创造了世界小姐募集善款的新纪录；同年受邀参与北京奥运的多项宣传活动，出任三亚形象大使，在三亚传递奥运火炬，与众多明星共同录制歌曲《北京欢迎你》；同年成为欧莱雅亚洲形象大使。
2009年招商银行-ELLE联名卡年度代言人。2010年被聘为上海世博会“志愿者宣传大使”；同年获得由联合国性别平等和女性赋权署颁发的社会性别平等倡导人称号；接着，与黄晓明、古天乐、罗志祥、蔡依林共同代言百事可乐；然后，与环球热力兄弟代言Swarovski（施华洛世奇）系列手表；之后，参拍中国国家形象宣传片。
2011年代言美宝莲BB霜；同年03月03日，在由丁晟执导，刘烨、焦恩俊、刘承俊等主演的硬派幽默警匪片《硬汉2》中担任女一号。2013年客串由文章、李连杰、刘诗诗、陈妍希、柳岩主演的动作喜剧大片《不二神探》。2014年01月26日，在史诗魔幻巨制《大闹天宫》中扮演女娲；4月29日，参演由韩国导演郭在容携手周迅、佟大为、钟汉良、共同打造的《我的早更女友》。