Trương Thị May bắt đầu sự nghiệp với thành tích Á hậu 1 đạt được tại hai cuộc thi Hoa hậu Phụ nữ Việt Nam qua ảnh 2006 và Hoa hậu các dân tộc Việt Nam 2007. Sau đó cô tiếp tục sự nghiệp người mẫu, xuất hiện thường xuyên trên các sàn diễn thời trang và bên cạnh đó cô còn lấn sân sang điện ảnh, May cũng chiến thắng hạng mục đề cử Nữ diễn viên điện ảnh xuất sắc nhất năm thuộc khuôn khổ loạt giải thưởng Cánh diều vàng năm 2009 với vai diễn nữ chính trong phim Đường đua của đạo diễn Nguyễn Trọng Hải. Cùng năm, cô giành được tấm vé đại diện Việt Nam tại cuộc thi Hoa hậu Trái Đất 2009. Tuy nhiên, 1 tuần trước khi diễn ra cuộc thi, cô bị tai nạn dẫn đến phải lỡ hẹn với cuộc thi này. Quay trở lại với đấu trường nhan sắc năm 2013, Trương Thị May đại diện Việt Nam tại cuộc thi khốc liệt nhất hành tinh, Hoa hậu Hoàn vũ 2013.

Năm 2014, cô được trao giải thưởng Mỹ nhân ăn chay quyến rũ nhất châu Á năm 2014 do PETA bầu chọn (PETA Asia's Sexiest Female Vegetarian 2014). Năm 2019, cô cùng nam diễn viên nổi tiếng người Ấn Độ Gagan Malik được vinh danh Người con của Đức Phật tại lễ trao giải Best News Award 2019 diễn ra ở Thái Lan.