1911年在天津法政學堂求學時秘密加入同盟會。1914年投筆從戎。1917年入馮玉祥部，歷任營長、團長、旅長、師長等職。1930年中原大戰後，馮玉祥軍事集團被瓦解，張自忠所部被蔣介石收編。1931年後，張自忠曾任第二十九軍第三十八師師長、第五十九軍軍長、第三十三集團軍總司令兼第五戰區右翼兵團司令等職。1937年，上海、南京相繼淪陷後，日本侵略者又把兵鋒直指徐州，誌在奪取這壹戰略要地。1938年3月，日軍投入七八萬兵力，分兩路向徐州東北的臺兒莊進發。待至臨沂、滕縣時，同中國軍隊發生了激烈的戰鬥。當時守衛臨沂的是龐炳勛的第三軍團。由於實力過於懸殊，傷亡慘重，龐部急待援軍。張自忠奉調率第五十九軍以壹晝夜180裏的速度及時趕至增援。張自忠與龐炳勛原是宿仇，但他以國家、民族利益為重，擯棄個人恩怨，率部與龐部協力作戰。敵軍在飛機大炮掩護下，配合坦克、裝甲車向茶葉山陣地發起進攻。張自忠以“拼死殺敵”“報祖國於萬壹”的決心，與敵激戰，反復肉搏。茶葉山下崖頭，劉家湖陣地失而復得達三四次，戰況極其慘烈。經過數天鏖戰，敵軍受到重創，節節敗退。中國軍隊相繼收復蒙陰、苔縣，***殲敵4000余人。不久，日軍再派阪本旅團向臨沂、三官廟發起攻勢，妄圖有所突破。張自忠和龐炳勛部兩軍奮力拼殺，經徹夜激戰，日軍受到沈重打擊，其向臺兒莊前線增援的戰略企圖被完全粉碎，保證了臺兒莊大戰的勝利。
1940年5月，日軍為了控制長江交通、切斷通往重慶運輸線，及結30萬大軍發動棗宜會戰。當時中國軍隊第33集團軍只有兩個團駐守襄河西岸。張自忠作為集團軍總司令，本可不必親自率部出擊作戰，但他不顧再三勸阻，堅持由副總司令留守， 5月6日晚致書副總司令兼七十七軍軍長馮治安壹函：
“仰之吾弟如晤：因為戰區全面戰爭之關系，及本身之責任，均須過河與敵壹拼，現已決定於今晚往襄河東岸進發，到河東後，如能與三十八師，壹七九師取得聯絡，即率兩部與馬師不顧壹切，向北進之敵死拼。若與壹七九師，三十八師取不上聯絡，即帶馬師之三個團，奔著我們最終之目標(死)往北邁進。無論作好作壞，壹定求良心得到安慰，以後公私均得請我弟負責。由現在起，以後或暫別，永離，不得而知，專此布達。”他自己親自率領兩千多人渡河作戰。
5月1日，張自忠親筆昭告各部隊、各將領：“國家到了如此地步，除我等為其死，毫無其他辦法。更相信，只要我等能本此決心，我們國家及我五千年歷史之民族，決不至亡於區區三島倭奴之手。為國家民族死之決心，海不清，石不爛，決不半點改變。”張自忠率兩千多人東渡襄河後，壹路奮勇進攻，將日軍第13師攔腰斬斷。日軍隨後以優勢兵力對張自忠所部實施包圍夾攻。張自忠毫不畏縮，指揮部隊向人數比他們多出壹倍半的敵人沖殺十多次。日軍傷亡慘重。
5月15日，日軍壹萬多人分南北兩路向張自忠率領的部隊實行夾擊。激戰到16日拂曉，張自忠部被迫退入南瓜店十裏長山。日軍在飛機大炮的掩護下，向中國軍隊的陣地發起猛攻。壹晝夜發動九次沖鋒。張自忠所部傷亡人員急劇上升，戰況空前激烈。
五月十六日壹天之內，張自忠自晨至午，壹直疾呼督戰，午時他左臂中彈仍堅持指揮作戰。到下午二時，張自忠手下只剩下數百官兵，他將自己的衛隊悉數調去前方增援，身邊只剩下高級參謀張敬和副官馬孝堂等八人。他掏出筆向戰區司令部寫下最後近百字的報告，交給馬孝堂時說：“我力戰而死，自問對國家對民族可告無愧，妳們應當努力殺敵，不能辜負我的誌向。”稍後，張自忠腰部又被機槍子彈擊中，他臥倒在地，浴血奮戰，最後壯烈犧牲。
張自忠戰死後，日本人發現張將軍遺體，審認無訛，壹起膜拜，用上好木盛殮，並豎木牌。並全軍向他行禮，甚至在他的遺體運回後方之時，日軍收到消息便下令停止空軍的空襲壹日，避免傷到張自忠的忠骸。可見，張自忠將軍在對日抗戰所展現軍人武德，連當時崇尚軍國主義的日軍都為之感動。
張自忠將軍遺書
蔣介石驚聞張自忠殉國，立即下令第五戰區不惜任何代價奪回張自忠遺骸。壹百多名優秀將士，搶回張將軍的屍骨，連夜運往重慶。當靈柩經過宜昌時，全市下半旗，民眾前往吊祭者超過十萬人。靈柩運抵重慶時，蔣介石特親臨迎靈致祭，撫棺痛哭，並手書“英烈千秋”挽匾以資表揚。張自忠殉國時，年僅五十歲，他的夫人李敏慧女士聞耗悲痛絕食七日而死，夫妻二人合葬於重慶梅花山麓，後建有張自忠將軍陵園和張自忠將軍生平事跡陳列館。
嶽飛名言：“文官不愛財，武官不惜死，則天下太平矣！”張自忠將軍抗日體現的正是這種“武官不惜死”的精神。他生前的最後壹句話是：
“我這樣死得好，死得光榮，對國家、對民族、對長官，良心很平安。”到了彌留之際，他還念念不忘“這樣死得好......良心很平安。”
1982年4月16日，中華人民***和國政府追認張自忠為“革命烈士”。