2009年的横滨世乒赛，张继科奪得男双季军和混双亚军。同年年底，张继科于林茨举行世界杯乒乓球团体赛中，与马龙、许昕及邱贻可一同获得该项赛事的冠军。2010年世乒賽團體赛的3月中國隊內選拔淘汰賽先擠走老將王勵勤，再踩着同期的馬龍奪冠，促成國乒的世乒陣容四年來第一次換屆，張繼科自此崛起，在決賽王皓因為球拍膠皮問題怯場，臨陣5分鐘前才換上張繼科並反勝3-1，捧男團冠軍。同年10月世界盃頂替腳傷的馬龍，首度征戰三大賽單打，得亞軍，其中四強對水谷隼落後0比3連扳4局逆轉，是他的國際賽場成名作。這年張繼科在世界三大賽面對外國球手兩度落後反勝展現的心理抗壓與心態受總教練劉國梁認可，傳媒開始拿他來對比連輸外戰的馬龍。2011年世乒賽（鹿特丹）四強4-1勝歐洲強敵波爾，決賽4-2勝王皓，首度參賽即奪冠，撕衣慶祝為經典一幕。曲折坎坷的崛起之路，至此初登頂。2012年奧運前因肩傷和腰傷打了多枝封閉針，撐過來奪奧運男單金牌，是史上男女最快大滿貫。奧運奪冠後對比賽失去刺激感，放鬆了對自己的要求，2013年開季「73天輸了四場外戰」、「大滿貫壇花一現」批評在媒體甚囂塵上。張繼科把握了僅有的2013年世乒賽（巴黎）衛冕單打冠軍，實則賽前被一致看衰。衛冕後至2014年10月連續一年半，一直沒突破隊內預選打巡迴賽單打，至2014年10月「復出」馬上奪世界盃單打冠軍，惟此後再沒在三大賽奪冠。而奧運直至2014年10月連續兩年於狀態大瀉，總教練劉國梁亦要保障馬龍上位機會，參賽資格由教練組保薦的世界盃、亞洲盃、仁川亞運、亚锦赛都沒分配給張繼科。