1917年，在其父張作霖軍中服役。
1919年，就讀於東三省陸軍講武堂，在校內結識戰術教官郭松齡，兩人成為忘年之交。
1920年後，以炮兵科第一名畢業，初任東北軍第三混成旅第二團團長，負責保衛張作霖人身安全，以及奉天維持治安，他將郭松齡一同帶至奉軍。
直奉之戰
第一次直奉戰爭
1922年，第一次直奉大戰爆發，張學良與郭松齡指揮的東路軍奉軍第三混成旅，張學良任旅長，經過霸縣戰鬥和山海關阻擊戰，成為了第一次直奉大戰當中，奉軍惟一取勝的部隊。
第二次直奉戰爭
1924年，第二次直奉大戰爆發，張學良率領奉軍第三軍與姜登選的奉軍第二軍為東北軍入關的主力軍，經過張學良部隊的猛攻，奉軍突破山海關，直搗北平。直系全面潰敗，全軍覆沒，吳佩孚成為張作霖手下，直系從此走入歷史。奉系由此一戰奪取了中央政權，張作霖成為了北洋軍閥領導人，奉系軍事實力此時達到頂點。戰後，張學良升為京榆地區衛戍總司令。
東北易幟
1928年6月4日，張作霖在皇姑屯被日本關東軍炸死，張學良就任東三省保安總司令，開始統治東北。張作霖被炸死後一星期，以「東北易幟」的果斷行動，宣布服從南京國民政府。
1928年7月1日，張學良向國民政府發出《絕不妨礙統一電》，促使中國從形式上走向統一。後被國民政府任命為陸海空軍副司令、東北邊防司令長官。
中東路事件
1929年7月，張學良欲取消蘇聯在東北的特權，查封哈爾濱蘇聯商業機構，開始著手收回中東鐵路。
1929年8月14日，史達林命令蘇聯軍隊沿中東路一線向東北進攻，張學良領導的東北軍敗給蘇軍。張學良被迫在伯力籤訂議定書，恢復蘇聯在中東鐵路的特權。
中原大戰
1930年3月，為爭奪中央統治權，汪精衛聯合閻錫山、馮玉祥、李宗仁等地方實力派發起挑戰蔣介石南京中央政府及國民黨中央會議的內戰，5月蔣介石宣布「平叛」，史稱中原大戰。手握重兵的東北邊防軍司令張學良成為交戰雙方爭取的對象。反蔣派於4月1日任命張為陸海空軍副司令，9月反蔣派成立北平國民政府後任命張為國府委員（共7人）、承諾政府一半的部長職務為奉系人員擔任，最後戰事不利時又許諾將察、綏兩省和平津地區讓與東北軍。
1926北京 張作霖、張宗昌、吳佩孚、張學良
1930年6月21日，蔣介石也任命他為陸海空軍副司令，許諾平津地區的軍政、財權均歸張學良掌握，黃河以北地區全由張學良節制，還任命張學良部于學忠為平津衛戍司令，王樹常為河北省主席，王家楨為外交部次長，又以數千萬元巨款收買。應蔣介石請求，英、法駐華公使也出面對張施加壓力。
張學良在雙方矛盾之初，於1930年3月1日發表《勸告蔣閻息爭通電》，表示「邦家多難，非息爭不足以圖存」，聲稱自己中立並調停勸和。為表示中立，擁有東北兵工廠的張學良向交戰雙方都出售武器。但實際上張學良較為傾向蔣介石，張與蔣的代表張群、吳鐵城、方本仁等很親近，對閻、馮等人的代表則較為冷淡。不過由於奉系內部對是否介入中原大戰以及幫助哪方有諸多分歧，張學良並未下定決心入關助蔣。
隨著中原戰火日益擴大，交戰雙方都極力拉攏張學良。
1930年7月2日，張學良以養病為由，避居葫蘆島一個多月。7月下旬，馮玉祥決定在隴海線發動總的攻勢，以配合晉軍奪取戰略要地徐州。但由於閻軍配合不好，馮軍給養不足，未能如願，南方桂軍又中途受阻，回師湘桂邊界。蔣介石趁機調動援軍增強隴海線防務，反蔣力量處於劣勢。當時張學良分析，如果蔣介石部隊奪回濟南，那麼蔣在中原大戰中將獲勝的局勢就基本明朗了。至此，張學良感到攤牌的時機已到。
1930年7月18日，張學良密電張群：「弟擬暫不返省，刻已派車迎嶽軍（張群字嶽軍）兄來島暢談，耀（方本仁號耀庭）、鐵（指吳鐵城）兩兄如能同來，尤所祈盼」。吳鐵城、張群來島後，張學良向他們表示：「蔣軍如果奪回濟南，就可以考慮出兵」，但仍不肯表示具體出兵時間。8月初，張學良從葫蘆島到北戴河，進一步觀察時局變化，把握著出兵時機。8月中旬，蔣軍攻取濟南，反蔣聯軍出現無法挽回的敗局。
張學良感到出兵時機已到，1930年8月30日，他致電張作相、萬福麟：「良於卅日返省，現有事待商，希即來沈為盼。」張學良返回瀋陽。
1930年9月10日，張學良在北陵主持召開東北最高會議。在會上張學良詳細闡述了他決定出兵華北武裝調停內戰的原因。他指出：第一，東北地處邊陲，日本窺伺已久，欲抵禦日寇，必須國內統一，南京政府是全國統一的政府，支持了這個政府方能保證國內的統一；第二，擴大會議內部派系多，分歧大，閻馮反覆無常，不能成大事；第三，蔣介石亦系一陰謀野心家，對東北無特殊關係，如想搞垮東北會不擇手段，為防止蔣介石繼續分化東北軍，只有從速實現全國統一，早停內戰；第四，蔣軍已攻下濟南，「應實踐對蔣的諾言」。張學良的精闢分析是經過數月冷靜思考後得出的，其有理有據，使一向反對出兵的張作相也無話可說，與會者一致同意張學良的主張。應該說，張學良做出擁蔣入關的決定，既是維護自身所在的奉系集團的利益，又有維護國家統一的愛國心的考慮。
1930年9月18日，張學良發出擁護中央、呼籲和平的「巧電」，不失時機地出兵華北，10多天時間，東北軍即完成了對平津地區的佔領。10月15日，閻錫山、馮玉祥、汪精衛聯電張學良，表示接受和平解決。隨後，閻、馮聯袂下野，晉軍、西北軍分別為張、蔣收編。
中原大戰後，張學良成了贏家。張在中原大戰勝負已分時入關，未受到任何損失，他卻不僅在戰爭中靠賣軍火和索要軍費發了一筆財（張部一入關蔣即發開拔費500萬元），還於戰後獲得了晉、冀、察、綏四省和平、津、青島三市的地盤，整編後的晉軍和西北軍一部也歸張指揮。政治上張學良還獲得了中華民國陸海空軍副司令的職位，成為蔣介石之下、萬人之上的顯赫人物，其部下也有多人進入南京中央政府。中原大戰後的張學良，實力和聲望達到了其人生的頂點。但是，因為處理中原大戰的善後事宜，張學良對東北事務的精力被分散；而且中原大戰後入關的大批東北軍沒有回防。
1931年，張學良為了討伐石友三又再度徵調部分東北軍精銳入關，導致了東三省兵力的進一步空虛。這些都給圖謀東北已久的日本帝國主義以可乘之機。正好是張學良入關的一年之後的9月18日，日本少壯軍人發動了九一八事變。
九一八事變
在世界經濟危機的環境下，在南滿擁有鐵路特權的日本和長期處於內戰狀態的中國發生衝突的可能性升高了。
1931年7月6日，張學良電告東北政務委員會說：「此時如與日本開戰，我方必敗。敗則日方將對我要求割地償款，東北將萬劫不復，亟宜力避衝突，以公理為周旋」。9月6日，張學良又致電臧式毅、榮臻：「對於日人，無論其如何尋釁，我方務須萬方容忍，不可與之反抗，致釀事端，即希迅速密令各屬，確實注意為要。」9月18日，日本關東軍發動震驚中外的「九一八」事變，駐守北大營的一萬多名東北軍將士因遵循張的嚴令沒有抵抗。
九一八事變發生後，1931年9月19日，張學良在北京協和醫院對天津大公報記者談話時說：「吾早下令我部士兵，對日兵挑釁，不得抵抗。故北大營我軍，早令收繳軍械，存於庫房」。9月22、23日，蔣介石和國民政府也分別發表講話和告國民書，要求「暫取逆來順受態度，以待國際公理之判斷」、「希望我全國軍隊，對日軍避免衝突」，事實上默認了張學良的不抵抗政策。張要求其率領的東北軍力避衝突，並退守錦州。
在「不抵抗政策」指導下，張學良和蔣介石都寄希望於國聯。但到1931年10月24日，國聯作出決議，要求日方撤軍，而日本不但不加理會，反而於11月進攻嫩江黑龍江守軍。日本野心已暴露無遺，張學良自謂：「國聯自身本無實力，僅能調解糾紛，不能強判執行，中日事件最好能自謀解決辦法。」但在嫩江橋戰役中，當日軍和偽軍張海鵬部向嫩江橋進攻時，張學良令守軍於兆麟部和平撤退，以免靡亂地方，仍舊依賴國聯。
南京政府在認識到日軍必將佔領東三省的野心和國聯的軟弱後，逐漸改變政策。1931年11月14日，國民黨第四次全國代表大會第一次大會通過決議「嚴令各省文武官吏若遇外侮入侵，應做正當防衛，嚴守疆土，與城存亡，不得放棄職守」。
1931年11月，錦州事變中，張學良仍未下抗日決心，而是鍾情於「錦州中立化」方案。11月29日，張學良致蔣介石密電，稱「惟個人對此亦頗贊成」，並在與日方代表談判之同時，開始安排東北軍撤出錦州。顧維鈞於1931年12月3日電文中極力勸阻道：「兄（指張學良）擬將錦州駐軍自動撤退，請暫從緩」。12月5日，顧維鈞又與宋子文聯名致電張學良：「現在如日人進兵錦州，兄為國家計，為兄個人計，自當力排困難，期能防禦。」蔣介石亦於12月8日致電張學良：「錦州軍隊此時勿撤退。」但12月21日，張學良致電第二軍司令部：「當最近日本進攻錦州之時，我軍駐關外部隊理應防範，但若現政府方針未定時，自然不用錦州部隊進行防守，因而撤至關內」，「部隊駐地為遷安、永平、灤河、昌黎」。當日軍進攻錦州時，國民政府多次電令張學良抵抗。12月25日，令其「積極籌劃自衛，以固疆圉」。張學良部隊開始從錦州撤退後，12月30日國民政府還急電其「無論如何，必積極抵抗」，但日軍兵不血刃佔領錦州。日軍佔領錦州及綏中一帶後，實現了對東三省的完全佔領。
1932年，日本策劃的偽滿洲國成立，從此東北數千萬民眾開始遭受日本長達14年之久的殘酷統治和掠奪。抗戰勝利後，每年的9月18日都被中國人視為國恥日。
1934年2月，張學良在東北張任豫鄂皖三省剿總副司令。
1935年3月，任武昌行營主任。10月，兼任西北剿總副司令並代行總司令職權。此時，日本侵華日亟，國民政府一再妥協。中共駐共產國際代表王明在莫斯科以中共中央和中華蘇維埃中央政府的名義發表《為抗日救國告全體同胞書》（簡稱「八一宣言」），全國要求停止內戰實行抗日的呼聲日益高漲。
1936年12月4日，蔣介石到西安督戰。張學良與西安綏靖公署主任、第17路軍
張學良與楊虎城
總指揮楊虎城共同向蔣面諫，卻遭到蔣拒諫。蔣介石令張學良、楊虎城立即進攻陝北紅軍，否則將其所部分別調往福建、安徽。
1936年12月9日，中國共產黨組織大規模的群眾遊行示威，紀念「一二九」運動一周年。特務軍警開槍打傷一名學生，群眾非常激憤，決定到臨潼直接向蔣介石請願示威。蔣介石強令張學良制止學生運動，必要時可以向學生開槍。張學良接到命令後，趕上遊行隊伍，極力勸說學生回去。東北大學學生高呼「中國人不打中國人！」「東北軍打回老家去，收復東北失地！」等口號。張學良向群眾表示一周內以實際行動答覆學生要求。
1936年12月12日，張學良與楊虎城兵諫蔣介石，共同逼蔣聯共抗日，造成震驚中外的「西安事變」。
西安事變當天，張學良、楊虎城向全國發出關於救國八項主張的通電，提出：「改組南京政府，容納各黨各派，共同負責救國。停止一切內戰。立即釋放上海被捕的愛國領袖。釋放全國一切政治犯。開放民眾愛國運動。保障人民集會結社一切政治自由。確實遵行孫總理遺囑。立即召開救國會議」的要求。
西安事變發生後，東北軍、西北軍內部出現主張殺蔣和放蔣的爭執，但張學良、楊虎城二人都主張釋放蔣介石。據楊虎城的機要秘書王菊人回憶，西安事變發生後，楊虎城曾找張學良商議釋放蔣介石的四項條件：一是蔣介石之「安內攘外政策」必須改變，至少以談話方式向全國公開聲明（當時考慮由南京政府正式發表聲明是辦不到的）；二是改組國民黨政府為抗日聯合政府，應有行動表現；三是東北軍、17路軍的駐地和政治地位不變；四是紅軍問題，由以後組成的抗日聯合政府解決。
囚禁生活
1938年11月起，張學良與楊虎城被囚禁在貴州省修文縣陽明洞。
1941年5月，張學良轉囚貴陽市麒麟洞。由於和市區距離很近，不久很多貴州人都知道張學良關在麒麟洞。
1942年2月，把張移往貴州省開陽縣劉育鄉囚禁。
1944年春天，再移貴州息烽縣陽郎壩，冬天再到桐梓縣天門洞小西湖。
1946年4月9日，蔣介石在貴陽市黔靈公園會見張學良。不久之後，張學良被押往重慶歌樂山戴公館。
1946年10月，被送到臺灣。
1947年，移住井上溫泉（新竹縣）。
1957年10月，移至高雄市西子灣。
1961年秋，移居臺北市北投居所。
恢復自由
1988年1月13日，蔣經國逝世。李登輝執政後，1990年起，張學良
全面恢復人身自由，之後到美國探訪。
1993年4月，受聘為東北大學名譽校長。5月，受聘為哈爾濱工業大學名譽理事長。
1995年，離臺，僑居美國夏威夷，在那裡長居。
2001年10月14日14時50分（北京時間10月15日8時50分），在美國夏威夷首府檀香山史特勞比醫院病逝，享年101歲。