他学习天竺（今印度）画法，创晕染法，在金陵一乘寺寺门画凸凹花，远望有体积感，近视却是平的。一乘寺也被大家叫做凹凸寺。
在人物画上，他创建了“四家样”中的“张家样”。改变了顾、陆以来的瘦削型的形象，创造出比较丰腴的造型，画人“面短而艳”。变顾、陆以来的“密体”为“疏体”，即用极简单经济的笔墨为人物造型，“笔才一二，而像已应焉”。后为吴道子所继承。
张僧繇一生苦学，“手不释笔，俾夜作昼，未尝倦怠，数纪之内，无须臾之闲”。他的作品有《二十八宿神形图》《梁武帝像》《汉武射蛟图》《吴王格虎图》《行道天王图》《清溪宫水怪图》《摩衲仙人图》《醉僧图》《田舍舞图》《咏梅图》等，但已无真迹流传，仅有唐代梁令瓒临摹他的《五星二十八宿神形图卷》还流传在世（现藏于日本大阪市立美术馆）。
张僧繇在绘画上有许多创新和贡献。
梁武帝笃信佛法，曾经三次舍身同泰寺为寺院敛财，又在宫中置“法乐童子伎”专门演奏佛乐。所以佛教大盛，寺庙众多。梁武帝要装饰佛寺，常常命张僧繇去作画。他曾在江陵天皇寺柏堂内画了卢舍那佛和孔子像。武帝很奇怪，说佛寺不当画孔子。张僧繇说：“今后恐怕还全靠这孔子像呢。”后来后周武帝灭佛，尽焚天下寺院，唯独天皇寺因为有孔子像而得免。他画人物佛像，朝野衣服，古今不失，无论中外，奇形异貌，都得其妙。梁武帝诸子分封在外，他很想念他们，就命张僧繇坐着车一个地方一个地方去为诸王画像，梁武帝面对画像，就像和真人晤对一样。
他又创造了“没骨山水”画法，不用勾勒，全用色彩画成。
张僧繇是梁武帝时期最重要的画家，也是中国绘画史上最重要的画家之一。他和顾恺之、陆探微、吴道子一起，并称为“画家四祖”。
除人物外，张僧繇还善画鸟兽花木，尤善画龙。传说他为金陵安乐寺画了四条白龙，画完后不点睛。问他为什么，他说点了眼睛就会飞去。大家不信，他就点了两条龙的眼睛，马上雷电破壁，两条点了眼睛的龙乘云飞上天去了，只剩下没有点眼睛的两条白龙。
