2009年2月，在日本短池游泳公开赛中，张琳以1分43秒04获得男子200米自由泳冠军，并打破该项目赛会纪录。7月，游泳世锦赛在罗马进行，在男子400米自由泳决赛中，张琳以3分41秒35获得一枚铜牌；在男子800米自由泳金牌争夺战中，张琳以7分32秒12夺冠，打破了澳大利亚选手哈克特在2005年创造的7分38秒65的世界纪录，同时也成为中国游泳历史第一个男子项目世界冠军；在男子1500米自由泳比赛中，张琳获得第五名。10月，第十一届全国运动会拉开帷幕，张琳以3分44秒29的成绩获得男子400米自由泳冠军；在男子4×100米自由泳接力决赛中，张琳与队友以3分15秒50获得冠军，并打破亚洲纪录；随后张琳以1分46秒12的成绩摘得男子200米自由泳冠军，以15分03秒12的成绩获得男子1500米自由泳铜牌。