张镇孙自幼聪颖，博闻强识。八岁时，就可以“一目成诵”。十二岁时，就被称为“神童”。十五岁时，成功考取童子试，名冠诸生。当时郡县的学官曾经试其文章，无不惊异于他的才华。

　　童子试后，张镇孙的科举之路并没有像预期中那样顺利。他屡试不第，但并未因此轻言放弃，而是继续夙夜苦读，终于在宋度宗咸淳六年（1270年）的乡试中，脱颖而出，名列第五。翌年，赴京赶考，在殿试中写了一篇长达七千余字的《廷对策》，文中针对国家当时的积弊，直言陈词，提出“国家以民为命脉”的论点，要朝廷实行“楫上益下”的政策，指出皇帝应该“以仁治天下”，并大胆提出严惩贪官污吏，以平民愤的建议。张镇孙因《廷对策》获得阅卷官与度宗皇帝的青睐，鲤跃龙门，考取了宋度宗咸淳七年（1271年）辛未科一甲第一名进士，成为状元。

　　张镇孙被南宋朝廷任命为秘书监正字，后升任校书郎，不久改任婺州（今浙江金华县）通判。当时的南宋朝廷已是西山日暮，颓败之势已无法挽回。张镇孙在《廷对策》中勇于揭露和直言敢谏的精神虽得到度宗的赏识，但度宗并未因此进行大刀阔斧的改革，更没有积极应对蒙古军队的步步紧逼，而是继续沉湎于酒色之中，将朝政都交给著名的“蟋蟀宰相”奸臣贾似道处理。张镇孙对这种“国事日非，百官奔散”的乱象感到无能为力，于是弃官回到广州，奉养双亲。朝中谏官趁机弹劾张镇孙“闻兵逃遁”，不久，张镇孙被朝廷正式罢免了官职。

　　公元1276年，元军攻破南宋都城临安，已经破败不堪的南宋朝廷向元军投降，益王赵昰在朝臣的保护下辗转逃至福建，即位皇帝，改元景炎，是为宋端宗。宋臣陆秀夫、张世杰等人以端宗名义继续组织义军抗元，张镇孙亦在此时于广州响应，组织抗元力量。张镇孙与都统凌震兵分两路，誓师抗元。同年十二月，张镇孙被端宗皇帝任命为龙图待制，广东制置使兼经略安抚使，统辖广州一带的抗元力量。

　　张镇孙治军严明，当时有一个名为卢震的将领，拥兵自重，骄横跋扈，张镇孙以军法将其治罪，枭首示众，军中士气为之一振。宋端宗景炎二年（1277年）四月，张镇孙率兵驱逐元将梁鸿飞，光复广州。正在此时，文天祥、陆秀夫等人分别带兵攻克梅州、潮州，这个风雨飘摇的“小朝廷”看似迎来了一丝希望。张镇孙因光复广州有功亦受到端宗皇帝的赏赐，乡里亲朋纷纷向他表示祝贺，但他却面露忧色，默不作声。因为他深知，南宋“小朝廷”已是强弩之末，根本无法抵挡元军的接连进攻，南宋的彻底覆灭只是时间问题。

　　同年十二月，元军又派大将吕师夔、索多率两路大军猛扑广州。张镇孙率2000余艘战船迎击元兵，激战于靠珠江北岸的江面上，但因敌我力量悬殊，宋军大败，只得退守广州城内，与元兵展开巷战，最终因孤军无援、寡不敌众，广州城再度陷落。张镇孙为了不使城内的人民遭受侵害，假意投降，成了元军的战俘。在被押往京师的途中，张镇孙自杀于广东境内的大庾岭，壮烈殉国。与张氏同时抗元的名臣文天祥，在得知张镇孙的死讯后，特赋诗悼念。

　　张镇孙中年登第，为官不足十年即城破身死，享年43岁（一说44岁）。他生前著有《四书析义》《名臣言行录》以及《见面亭集》十卷，今皆已亡佚。关于见面亭，编撰于清代同治年间的《番禺县志》记载着这样一个传说：南宋时广州流传有这样一首童谣“河南人见面，广州状元出”，当时珠江江面比现在广阔许多，两岸民众难以直接隔江相望，有官员还为此起建了一座见面亭，以等待广州状元出现。就在张镇孙高中的那一年（1271年），珠江江水干涸，广州两岸民众可以步入江中，相互见面。该传说和童谣，寄托着广州人对这位状元“老乡”的美好祝愿。张镇孙死后，被其族人安葬于广州永泰里（今三元里），称为“状元墓”，后毁于明末清军围城之时。张氏后人于明代初年迁至广州河南（今海珠区同福中路一带），现存一口“状元井”，位于今海珠区二龙街龙圣里巷口附近，当地也以“状元井”为地名，纪念这位为国为民的状元郎。