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5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。林彪反革命集团垮台后，张学思夫人谢雪萍向毛主席鸣冤。1972年4月30日夜，毛泽东读罢这封信，流下了眼泪。他对张玉凤说：“在延安的时候，我就认识了张学思，他是一位很进步的青年，长期接受革命培养。想不到，这么一位海军的干才，被他们活活整死了，可惜呀！”毛泽东当即批示：送叶剑英同志阅处。1975年年初，党中央、中央军委批准了海军党委复查的结论。1975年4月8日，海军召开了为张学思同志平反、恢复名誉大会。4月19日，举行了骨灰安放仪式。

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。张学思的部分合影张学思将军 抗战时期张学思将军留影张学思的部分合影张学思将军毛泽东主席接见张学思(1956年)