1978年，在没有读过高中的情况下，15岁的张首晟直接考入复旦大学物理系。
1979年（大二），作为交流学生被送往德国柏林自由大学深造。
1983年，获德国柏林自由大学硕士学位，同年赴美国纽约州立大学石溪分校，师从著名物理学家杨振宁教授攻读博士学位。
1987年，获物理学博士学位。 1987年，进入加州大学的SantaBarbara分校从事博士后研究。
1989年底，结束博士后研究，与妻子余晓帆一起到了SanJose的IBM继续从事科学研究工作。
1993年，被评为斯坦福大学物理系副教授。
1995年，年仅32岁的张首晟被聘为斯坦福大学物理系教授，成为斯坦福大学最年轻的终身教授之一。
2013年，入选中国科学院外籍院士。
2015年，入选美国科学院（US National Academy of Sciences）院士。 1999年，张首晟联合硅谷企业家们共同创办了华源科技协会，并在他家后院开了首次会议。现在华源已成为硅谷最大的华人科技创业社团，会员多为中美之间的技术领导者、投资者和企业家，福布斯40名40岁以下CEO榜单中也屡屡出现会员的身影。此外，他在斯坦福大学任创业导师，帮助多位学生创办公司，并作为天使投资人，成功的投资了VMware(NYSE:VMW)。5年后，VMWare被EMC收购，后来又在纽交所上市，如今市值已达440亿美元。这笔投资给张首晟带来了上百倍的回报。
2013年张首晟教授与他斯坦福的学生谷安佳博士联合创立丹华资本，意在以斯坦福大学为核心，专注于投资美国最具颠覆性的创新科技及商业模式，连接美国的创新与中国市场。“丹”既代表斯坦福（又译为史丹福），又有“赤子丹心”之意，“华”取自中华。
丹华资本目前规模已经达到9000万美元，并且已经投资了12家公司。
现任丹华资本创始董事长。
