张同存主要研究方向：1、免疫细胞治疗在血液疾病中作用及应用；2、心肌肥厚及心肌纤维化的发病机制；3、心血管疾病和肿瘤等重大疾病转录调节异常的分子机制和相关干预药物的开发研究；4、干细胞工程及工业微生物转录调控的研究；5、基因工程药物、微生物药物和天然药物的开发与药理机制的研究。
张同存带领团队攻克了CAR-T细胞研发的核心关键技术，实现了具有自主知识产权CAR-T细胞药物的研发与转化，获得一系列重大科技成果。如，建设CAR-T细胞产品“Bench to Bed”的规范化全流程平台，成功研发覆盖所有血液肿瘤和艾滋病的多个创新靶点CAR-T：自主研发的CD30 CAR-T是以CD30为靶点的CAR-T细胞产品，已完成I期注册临床试验；研发CD19/CD22 CAR-T在全球率先解决B细胞血液瘤因单一抗原丢失导致的复发，获Lancet Oncology封面评述和2020年中国医学重大进展之首；研发CD99 CAR-T在全球首次填补T-ALL和AML免疫治疗的空白；创新性改造GPRC5D/BCMA CAR-T治疗复发难治MM，解决单靶点CAR-T逃逸问题；研发gp120/CD32a通用CAR-γδT可清除潜伏期和活跃期HIV感染细胞，实现艾滋病患者功能性治愈。此外，建成覆盖全国多省市自治区的多中心临床研究与应用网络，截至2023年7月成功救治800多例癌症患者。