2012年，张碧晨参加了KBS主办的“K-POP世界庆典”中国赛区的歌唱比赛，凭借演唱韩剧《拥抱太阳的月亮》的插曲《时光倒流》而获得总冠军；10月28日，以中国赛区冠军的身份代表中国赴韩国参加“K-POP世界庆典”总决赛，并获得了韩国总决赛第二名的成绩和最优秀奖。2013年，张碧晨被KBS韩流促进团团长选中，受邀参加了韩国音乐节目《音乐银行》，并在节目中与韩国歌手Ali合唱歌曲《伤痕》，也因此张碧晨被节目组的导演看中，之后被推荐签下了韩国的一家经纪公司；4月，张碧晨签约了韩国经纪公司Haeun Entertainment，正式开始了自己韩国练习生的生活；7月25日，作为女子组合Sunny Days一员在韩国正式出道；7月31日，随组合推出了单曲《너랑 똑같은 여자 만나봐》。之后，由于韩方经纪公司屡屡违反合同，被迫解约。2014年，回国后的张碧晨参加了浙江卫视歌唱选秀节目《中国好声音第三季》，以一曲《她说》获得四位导师转身，并加入到那英组；9月26日，在那英组的终极考核中，获得小组冠军；10月7日，在总决赛中以一曲《时间都去哪儿了》获得年度总冠军，成为该节目首位女性冠军；同年，张碧晨签约了梦响强音，从而正式开始其个人职业歌手生涯；11月，首次登上香港红磡的舞台；11月13日，为电视剧《青年医生》演唱的插曲《一吻之间》发布，该歌曲获得第22届东方风云榜年度十大金曲奖；12月30日，推出与余枫等合唱的单曲《幸好有你》；12月31日，参加东方卫视“我们的梦”跨年演唱会。2015年，张碧晨首次登上台北小巨蛋舞台；之后，张碧晨先后在各颁奖盛典中揽得了华鼎奖“华语年度最受欢迎新锐歌手”、“东方风云榜音乐盛典最佳新锐歌手”等七个奖项；此外，她还先后登上了中央一套梦想星搭档公益盛典以及辽宁、天津卫视春晚的舞台；2月，其演唱的《一吻之间》连续三周获得百度King榜榜首，亦成为首位夺得King榜周冠的女歌手；3月31日，正式与“梦响当然”签订唱片约；4月8日，推出个人单曲《白芍花开》；6月，张碧晨相继为各电视剧献唱了主题曲《不要忘记我爱你》、插曲《年轮》等，而张碧晨个人也因此获得更多关注；7月，她相继为各类电影献唱了主题曲《我只是慢慢走远》、《年少轻狂》等；12月5日，在第9届咪咕音乐盛典上获得“年度最受欢迎新人”以及“年度最畅销十大金曲奖”两个奖项；同年，张碧晨受国务院侨办邀请，参加了海外春晚的“文化中国·四海同春”活动。2016年，受邀参加北京卫视环球春晚；3月28日，其演唱的歌曲《年轮》获得第23届东方风云榜年度十大金曲奖，而她本人则获得了最佳年度飞跃奖以及全民选择女歌手奖；4月3日，获得MusicRadio全球流行音乐年度盛典“年度最佳新人金奖”；5月7日，获得MusicRadio中国Top音乐盛典“内地年度最受欢迎新人”奖，并演唱歌曲《你给我听好》；6月13日，张碧晨在“微博电影之夜”演唱了歌曲《如果一切没有发生过》，该歌曲获得“微博最受欢迎电影歌曲”；6月22日，推出单曲《渡红尘》；同年，张碧晨为各电视剧演唱了片尾曲《时光笔墨》、《当爱来敲门》等；9月18日，在江苏卫视音乐竞猜类《蒙面唱将猜猜猜》节目第一轮中以“进击的女帝”形象演唱《滚滚红尘》晋级到第二轮，并在第二期节目中以一曲《圣诞结》成功揭面；11月30日，献声新浪“最美表演”主题推广曲《曾经守候》；12月10日，在北京举办了个人首场“自饰北京演唱会”，她还在演唱会上与嘉宾周笔畅合唱了歌曲《原点》；12月20日，在2016国剧盛典上献唱了《年轮》、《时光笔墨》和《一直很安静》三首歌曲；12月29日，发行首张个人音乐专辑《开往早晨的午夜》，其中收录了同名主打《开往早晨的午夜》、首波主打《童梦》以及演唱会主题曲《自饰者》在内的十首歌曲；12月31日，张碧晨在江苏卫视跨年演唱会上独唱了歌曲《我可以忘记你》、《自饰者》，并与周华健合唱歌曲《天下有情人》。2017年，推出与杨宗纬合唱的电视剧片尾曲《凉凉》；2月，推出重新编曲电音版单曲《It's Love》；3月4日，作为挑战歌手阵容登上湖南卫视音乐节目《歌手2017》，并在第九期的节目中演唱了个人原创歌曲《胡桃夹子》；3月27日，她的个人专辑《开往早晨的午夜》获得第24届东方风云榜年度概念专辑奖和传媒推荐大奖，其演唱的歌曲《下一秒》获得年度金曲奖；4月22日，在“歌手2017巅峰会”上演唱了歌曲《袖手旁观》；4月26日，推出个人单曲《一半一半》；5月26日，献声电视剧《楚乔传》片头曲《望》；6月，献声电影《明月几时有》宣传主题曲《曾经守候》；8月31日，在首届微博时尚盛典中获得“年度最具时尚影响力歌手”奖。2018年，登上2018年中央电视台春节联欢晚会，并与古巨基、平安、喻越越共同演唱歌曲《乘风破浪》；4月20日，在湖南卫视播出的《2018歌手金典之夜》上演唱歌曲《我变了，我没变》；5月，献唱“五四青年节”特别歌曲《强国一代有我在》；5月12日，推出个人单曲《在你爱的牵挂里》；6月9日，在北京举行“极光”演唱会。2020年，湖南卫视推出的中国亲情观察成长励志节目《我家那闺女第二季》第六期播出；9月30日，参加央视国庆晚会《“中国梦·祖国颂”——2020国庆特别节目》，与陈伟霆、张韶涵、夏利奥合唱歌曲《守护》；10月23日，参与配音的动画电影《飞奔去月球》正式上映；11月8日，加盟东方卫视代际潮音竞演综艺节目《中国梦之声·我们的歌第二季》；11月13日，为电影《如果声音不记得》演唱的插曲《骗》发布；11月26日，为剑灵七周年演唱的主题曲《以剑为期 》上线；12月31日，参加浙江卫视2021跨年晚会。2021年，推出个人单曲《逢生》；3月14日，推出第2张个人音乐专辑《时》，收录了包括《隐隐作秀》《等你像》等在内的10首歌曲。