993年起，张首晟任教于斯坦福大学，32岁获颁史丹佛大学终身教授，同时也是美国科学院院士。1999年，张首晟被聘为中国长江学者讲座教授，任中国清华大学高等研究院客座教授。2004年出任IBM－斯坦福自旋电子学研究中心主任。2013年，当选中国科学院外籍院士。同一年，他与学生谷安佳创立丹华资本。2010-至今 美国斯坦福大学物理系，JG Jackson and CJ Wood 讲座教授。2018年5月1日-12月1日 中国上海科技大学特聘教授。2018年12月1日因抑郁症在旧金山自杀身