2010年，还在上中学的张歆怡被选中参演战争电影《金陵十三钗》，成为与导演张艺谋合作过年龄最小的女主演，在影片里她饰演一个成熟并且坚强的女学生。

2013年，15岁的张歆怡在抗战历史剧《四十九日·祭》中再度出演孟书娟，电视剧中孟书娟的人物形象较电影版更加完整，与各角色关系更加明确，导演张黎称是因在海选完之后发现还是张歆怡的样子和感觉都最适合角色。

2014年9月，张歆怡参与拍摄传记类电视剧《少帅》，与导演张黎二次合作，饰演张学良(文章饰)的第三任妻子赵一荻(赵四小姐)。