1917年4月出生在安徽省靈壁縣一個普通農民家中，張衍少年時期就向往革命，“九·一八”事變后參加了學生抗日義勇軍，1935年參加了學生救國會，聲援“一二·九”學生運動。1937年奔赴延安，進入延安抗日軍政大學學習。年輕的張衍風華正茂，積極上進，成績優異，畢業后遂留校任政治教員，1938年加入中國共產黨。歷任抗大總校政治教員、主任教員、六分校政教科科長，八路軍前方指揮部情報處科長，民主建國軍政治部組織部部長，晉冀魯豫野戰軍9縱敵工部部長，豫西軍區第5軍分區副政委，中原軍政大學政治部副主任，第二野戰軍軍政大學政治部宣教部部長。
建國后，張衍曾擔任西南軍政大學政治部副主任，第二高級步兵學校政治部主任，軍事工程學院政治部副主任、主任。1965年～1978年任我校——軍事電信工程學院政治委員，西北電訊工程學院黨委書記，1978年后歷任國防科委副主任兼國防科學技術大學校長，國防部第十研究院黨委書記，國家計委副主任，國防科委副主任兼國防科技大學校長。
張衍將軍是第六、第七屆全國政協委員。曾榮獲二級獨立自由勛章、一級解放勛章和獨立功勛榮譽章。
1961年晉升為少將。2003年8月在北京病逝，享年86歲。
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