2011年，张子健与张嘉译、罗海琼和颜丙燕共同主演谍战剧《借枪》，饰演法租界警察安德森；张子健主演由钱雁秋执导谍战剧《飞虎神鹰》，饰演燕双鹰；同年2月，与梁冠华、曲栅栅和吕中共同主演探案悬疑剧《神断狄仁杰》饰演李元芳。同年，与寇世勋、吴京安、毕彦君共同主演古装历史剧《大秦直道》，剧中饰演丞相李斯。

2012年，张子健主演由钱雁秋执导的抗日剧《孤岛飞鹰》，饰演燕双鹰。同年9月，主演谍战剧《大漠枪神》，饰演燕双鹰；同年，与梁冠华和刘蕾共同主演抗战剧《平原烽火》，饰演罗金宝，并担任该剧导演之一；同年，友情出演都市情感剧《婚巢》，在剧中饰演骗子柏大兵。同年，主演由朱传光执导的都市情感喜剧《男人不坏》，剧中饰演边红旗。同年“元芳体”走红。

2013年，张子健与于震、淳于珊珊和曲栅栅共同主演探案悬疑剧《神探包青天》，在剧中分别饰演“包铁山”与“包拯”父子两角；同年，参演由高晓松执导的公益短片《地球来信了》，在影片中饰演路边散步行人元芳。

2014年8月，与刘威葳和张帆共同主演主演谍战剧《刀尖上的搏杀》，在剧中饰演苏文；9月，与六小龄童、刘德凯共同主演神话剧《石敢当之雄峙天东》，在剧中饰演泰山石圣石敢当；11月，与贺刚、梁琳琳共同主演抗日剧《飞虎队》，在剧中饰演铁道游击队队长刘洪；11月17日，与吕佳容共同主演抗战剧《热血》，在剧中饰演革命导师秦昊。