1928年入奉天同泽中学读书。1931年初到北平入私立汇文中学学习。九一八事变后，参加抗日救亡活动。1933年3月参加反帝大同盟，同年4月加入中国共产党。受党组织派遣到廊坊东北军六十七军特务大队做兵运工作。1933年9月经长兄张学良介绍入南京中央军校第十期预备班学习。1936年12月西安事变爆发后，被国民党当局逮捕。不久获释继续学习，1937年初毕业后到东北军第五十三军任见习排长、上尉参谋。受中共组织派遣，曾到上海、南京、武汉等地联络东北军将领，为争取释放张学良进行活动。

　　1938年10月到延安，后入马列学院学习。1939年9月起任抗日军政大学第三分校直属二队（亦称东北干部队）队长。1940年率队到达晋察冀抗日根据地。后任冀中军区司令部参谋处长。参加了冀中区1941年春季、秋季反“扫荡”和1942年五一反“扫荡”、威县掌史村突围战。1943年起任冀中军区副参谋长兼作战科科长、晋察冀军区参谋处长。1944年调任晋察冀军区平西军分区参谋长、副司令员兼参谋长。参与组织指挥了平西地区1945年春夏季攻势作战。

　　抗日战争胜利后赴东北，任辽宁省政府主席、辽宁军区司令员，东北行政委员会副主席兼辽东办事处主任等职。参加了创建巩固南满根据地的斗争和四保临江等战役。

　　1946年2月—1948年6月，任东北大学校长（此东北大学是共产党于1946年在本溪创建的，1950年改名为东北师范大学）

　　1949年4月受命创建海军学校，任安东海军学校副校长。同年9月作为军队代表出席了中国人民政治协商会议第一次全体会议。

　　新中国成立后，张学思任大连海军学校副校长兼副政委。1953年被任命为海军副参谋长。1955年被授予少将军衔。

　　1956年，为了培养更高层次的海军将领，张学思被拟派往苏联伏罗希洛夫海军学院留学，但苏联方面却提出异议，说他是大军阀张作霖的儿子，不同意接收他去留学。周恩来得知后，立即向苏方提出：张学思在青年时代即背叛了家庭，追求进步，在白色恐怖中冒着生命危险，参加共产党，为党做了许多工作。他是在长期斗争中锻炼成长、经过考验的优秀军事干部，我们党一直很重视对他的培养。经过周恩来说明，苏联同意了中方的决定。1958年，张学思毕业回国后任海军第一副参谋长、参谋长。

　　“文革”中，林彪一伙以“莫须有”的罪名将张学思逮捕关押。

　　1970年，张学思病情恶化，当周恩来看到张学思的病情报告时，立刻批示：“要告诉医院，设法进行抢救，如果他们力量不够，可以请301或其他医院一块儿进行抢救。”周恩来的批示尽管以急件下达到医院，尽管医院领导和医生及时进行会诊并提出多种治疗意见，但由于张学思被李作鹏一伙折磨得病情太重，再加上他们的抵制阻挠，还是于1970年6月29日含恨离开了人世。

　　张学思被迫害致死后，毛泽东、叶剑英指示要认真查清，以便正确处理，周恩来几次指示要查清迫害张学思的问题。党的十一届三中全会以后，中央军委和海军党委给张学思彻底平反昭雪，恢复名誉。