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2004年，进入北京队，开始了他的职业生涯。 2005年，进入国家队。 2007年8月3日，20岁的张培萌在石家庄全国田径锦标赛男子100米获得他职业生涯的第一个百米冠军。2008年5月24日，获得好运北京奥运测试赛男子百米冠军。 2013年8月12日，在莫斯科世锦赛男子百米半决赛中张培萌跑出了10秒整的成绩，创造新的全国纪录。 2013年9月8日，张培萌夺得十二运会男子100米冠军。2014年10月2日，在仁川亚运田径男子4x100米接力的比赛中与陈时伟、谢震业、苏炳添代表中国队以37秒99破亚洲纪录的成绩夺冠。

2015年8月29日，在北京田径世锦赛男子4×100米，张培萌和莫有雪、谢震业、苏炳添代表中国队38.01秒摘银创造亚洲历史。12月15日，获得2016CCTV体坛风云人物年度突破奖提名奖。

2017年9月3日，正式退役告别田径赛场。 2017年10月，张培萌被评为第十三届全运会北京体育代表团“最佳运动员”。 2018年1月29日，已经从田径赛场退役的“百米飞人”张培萌决定投身冬奥项目——钢架雪车。