属兔，出生在湖北省江陵县荆州镇（今荆州市荆州区）一个书香门第，为明代名臣张居正第13代孙，父亲张绍欣是前清的蒙古都统，母亲是民族英雄林则徐的孙女。他自幼跟随叔父北洋政府总理张国淦长大。。少年家塾，稍大入荆州中学堂，1918年，张圣奘年仅15年就考入了北京大学历史系。在校期间，他结识了李大钊先生，并成为马克思学术研究会7名发起人之一。这时期，他还认识了在北大图书馆工作的毛泽东，由于同是南方人，又倾向于社会主义思想，因而两人交往密切。北京大学毕业后，张圣奘赴英国留学，入牛津大学攻读欧洲文学，获得文学学士学位。随后，又进入德国莱比锡大学，研习医学，获得医学博士学位。在德国期间，他结识了西渡求学的周恩来，两人友谊渐深，多次相携共游莱茵河，曾以《昆仑曲》相互赠送。1922年，张圣奘曾到法国巴黎参加社会活动，由周恩来介绍，他认识了在此勤工俭学的邓小平，两人结为朋友。后来，张圣奘又赴美国留学，在哈佛大学攻读历史，获得史学博士学位。1930年代回国，在重庆大学执教。
　　1950年，新中国开始兴建四川人民盼望了几十年的成渝铁路，6月15日铺路工程全线开工。11月2日，军工第四总队在资阳莲花山发现了一批古文物，移交给川西博物馆。当时的川西行署唯恐随着工程进展还有文物出现，于是给西南军政委员会写了报告，要求派专家负责考古工作。12月，西南军政委员会通令成渝铁路沿线严格遵守政务院的有关规定，保护好古代文物，同时决定组建一个有权威的考古学专家领导的文物征集考察组。此时的西南，百废待兴，各业待举，谁能担此大任呢？时任西南军政委员会政治委员的邓小平心头一亮，想起了在重庆大学执教的老朋友张圣奘。邓小平派秘书专程去重庆，把张圣奘教授请到了浮图关西南军区所在地。
　　分别了28年的老朋友得以见面，两人十分激动。张圣奘先叫了一声：“邓政委！”邓小平开朗地笑着，摆了摆手说：“老朋友啦，喊我小平算了！”一口川腔，使气氛更融洽了。邓小平接着说：“这次请你来，有一个很艰苦的任务，请你出马。成渝铁路已动工兴建了。四川历史悠久，有几个朝代在四川建都，地下文物蕴藏很丰富。据报，资阳发现了文物。参加筑路的部队和民工对文物都很陌生，为了保护好文物，请你这位专家到铁路沿线工地上考察、鉴别出土的文物，也向各地转达保护文物的法令，你担任考古团团长。”张圣奘一听，直摆手，说：“参加考察我算一个，自我回国以来没干过领导，团长我当不来。”邓小平笑着说：“你是大学者，有理论，有实践，这团长就非你莫属了！”
　　筹备工作很快就绪，张圣奘率队出发了。邓小平考虑到张圣奘已年近五十，蜀中道路崎岖，专为他准备了一乘滑竿。张圣奘见随行人员艰苦跋涉，便坚持不坐滑竿，脱掉西装皮鞋，跟大家一同步行。1951年2月，张圣奘率团来到资阳。县长刘安向考古团介绍了在城西九曲河工地发现龟化石和犭豪牛、鱼等动物化石的情况，并陪同张圣奘来到九曲河。张圣奘仔细考证了已出土的零星化石后，说：“这里可能有东西。”他决定考古团在资阳住下来，以便发掘出更完整的化石。时值腊月，天天下雨，十分寒冷。茅棚搭了好几床席子，仍然漏个不停，但谁也不顾这些，考古队员和筑路民工不停开挖。十几天过去，地面挖成了一个大坑，积满了雨水，考古队员只得从地方上借来十几部水车，日夜排水。眼看年关来临，有的工作人员提出放假回家过年。张圣奘没有同意，他说：“我是小平先生叫来的，只管文物出土考证的事，其他事要报告小平先生。”邓小平收到张圣奘的电报，回电说：“大家很辛苦，现在军管时期无假期。”队伍得以稳定，继续发掘工作，在九曲河铁路一号桥墩东侧进行新的开挖。
　　当下挖到离地面8m时，在岩壁发现了剑齿象化石，还发现深黄砂土夹小砾石层中平卧着许多保存完好的大树，或浅黄、或微绿，其中还有少许骨化石。张圣奘脱掉鞋、袜，纵身跳进泥坑。突然，他脚下踩着了一个光滑的东西，只听见“卟卟”一响。张圣奘不由心头一怔，弯下腰来，伸手摸去，摸着了一个圆圆的东西。他双手捧起那东西，借着微明的光钱一看，心中猛一惊颤，这不是一个古人类头盖骨的化石么？奇迹终于出现了。他迅速用水冲去化石上的泥浆，反复审视，心里越来越激动，眼前的头盖骨，眼眶下缘已经破裂，右侧颅底散失，面骨有些缺损，但仍不失为一件较为完整的人类化石。张圣奘到过许多国家，也见过一些古人类化石，他知道，眼前的这颗头盖骨，可以同任何一件同类化石比美。
　　他沉吟良久，断定这个头盖骨化石至少是三万年前的遗存。这是新中国成立以来最重大的考古发现。这个发现能够通过他来完成，真是莫大的幸福。回想起自己走南闯北，浪迹欧美十多年，不就是希望能在祖国获得同欧美国家同样的、甚至更大的考古发现么，这一天终于盼到了！
　　张圣奘立即将这个特大喜讯电告邓小平同志。邓小平当即回电，予以嘉奖、勉励，并立刻上报国家政务院。中国科学院院长郭沫若得知这一重大发现后，致电西南军政委员会，商请将人头骨化石速送北京作进一步的考证。化石送到北京后，郭沫若给张圣奘打来电报，称：“这是吾川有史以来的重要发现！”
　　不久，张圣奘被任命为四川省文物管理委员会主任委员。
　　1951年9月，由郭沫若组织，北京古脊椎动物研究所裴文中教授来到四川，与张圣奘、任朝凤、晏学、蔡佑芬、李柏皋、徐鹏章、何九思9人组成考察组，用33天的时间对九曲河出土人头骨化石的地址作了全面的考察和土层技术鉴定，发掘到了车方剑齿象、中国犀牛、猛犸象等一大批古代动物化石。
　　1953年，郭沫若邀请张圣奘到北京，参加资阳出土人头骨化石发现旁证讨论会。会上，张圣奘教授发表了精僻的见解。他认为，从资阳人头骨化石的发现，可以证实四川中古时代是一片内海，成都地区是海的中心，资阳是海的边沿。在离剑齿象化石不远的地方发现这颗人头骨化石，说明在这片动植物繁盛的热带内海周围，曾经有四川最早的人类生存过。张圣奘还进一步推论，成都内海可能是在第四或第五次冰川结束后，内海海水被蒸发而干涸的。
　　经过进一步的考证、研究，专家们确定这一头骨化石为50岁左右的女性头骨，是早期的真人类型，属于石器晚期真人类化石，距今已有35,000年以上的历史，是继北京周口店猿人后的又一重大发现。专家们据此写出专著《资阳人》，研究结果发现，震动了全世界。中华人民共和国国务院决定把成渝铁路九曲河大桥基坑出土的人头骨化石正式命名为“资阳人”。英国《大英百科全书》将其列入词条，美国、德国等国的专业报刊也曾予介绍、宣传。
　　发现“资阳人”，是张圣奘教授对中华民族人类史研究的重大贡献。嗣后，张圣奘一直担任四川省文物管理委员会主任职务，同时在四川大学兼课，并继续对资阳等地的古代生物进行考察。1991年初冬，资阳县建立“资阳人”博物馆，张圣奘专派弟子前往祝贺，并支撑病体，写下了《我发现资阳人头骨化石始末》一文，送博物馆陈列。写完此文，老人竟双目失明。25天后，1992年元月7日，这位名扬中外的学者以90高龄仙逝。