究方向是超引力，1987年获博士学位。张首晟博士毕业后，先在加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究，在杨振宁(1957年诺贝尔物理奖得主)影响下，改变研究方向，研究具前瞻性的凝聚态物理，杨振宁称赞张首晟的研究成果，认为他未来有机会得诺贝尔物理奖。后前往IBM担任高级研究人员。1993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。