父親張升， 貢生出身，長文學(xué)，擅書法，但死得較早。培元生得方面大耳，頭大軀壯，耳幾垂肩，有非常人相，人稱“張大耳”。他個人也追慕漢代 張良，自比留侯。他少年時就讀于貴德河陰高等學(xué)堂，學(xué)業(yè)優(yōu)于儕輩，十七、八歲時意欲赴省城，但苦于乏資。有次西寧東郊樂家灣舉行賽馬會，張培元在場，他看中西寧辦事大臣兒子之馬，遂上前套近乎，提出借騎一試，騙到馬后，一鞭直奔蘭州，到蘭后將馬賣掉，投入甘肅師范學(xué)校，之后又入甘肅軍事教導(dǎo)團(tuán)學(xué)習(xí)。他勤奮苦學(xué)，學(xué)習(xí)成績一直名列前茅。從軍事教導(dǎo)團(tuán)畢業(yè)后，在蘭州軍營中任下級小職，無所作為，經(jīng)濟上也很緊促，常常借別人之錢，寄回家鄉(xiāng)以奉養(yǎng)母親，因此他郁郁不得志。

民國初年冬，一日，債主逼培元還錢，培元無奈，說：“跟我去拿�！彼麑�債主帶到黃河邊上說聲到了，便騰身跳下，奮力將河面冰層撞開一個洞，自己落入水中。債主以為他必死無疑，驚慌逃走，不料冰有兩層，培元被擱在下面一層上，未能落入河中。過了一會兒，他爬上來，知道無法再在蘭州呆下去，便西出陽關(guān)，投奔新疆督辦 楊增新。

當(dāng)時 楊增新閉關(guān)偃武，侈言無為，見培元來投，便隨便安排為軍務(wù)處科員。此職平時沒有多少事可作，與培元胸襟不適，于是，培元在應(yīng)卯之余，與迪化（即今烏魯木齊）商人接觸甚密，欲圖買賣，增加經(jīng)濟收入。他在烏魯木齊南關(guān)租設(shè)鋪面，雇員開辦商棧，結(jié)果收不如支，欠了一大筆債，最后只身逃離新疆。省府曾下令通緝。

培元入關(guān)之后，到處漂泊，幾年間沒有找到立身之地。后來他反復(fù)思考，以為還是只有在新疆才會有發(fā)展前途，于是在1917年夏天，懷揣 楊增新在甘肅之一位舊僚的推薦信，毅然再次出關(guān)投楊增新，表明如能錄用，必當(dāng)悔過立功，以報恩。 楊增新見培元相貌黨堂，精明干練，便不究既住，派他為吉木乃騎兵獨立連連長。

當(dāng)時正處在蘇聯(lián)十月革命之際，沙俄白黨匪軍清退至新疆邊界，騷擾邊民，警報時至。培元認(rèn)為這正是立功之好時機，便馳赴吉木乃任職。不久，白匪軍一千余人潰逃至吉木乃，而吉木乃只有一連兵力，眾寡懸殊，群情驚慌。但培元若無其事，命令士兵在戰(zhàn)壕前沿排列許多石頭，再在石頭上置放軍帽，作為疑兵。白匪軍見中方兵員充足，不敢進(jìn)攻。當(dāng)時吉木乃有個商人叫郭永隆，面目與新疆烏魯木齊專員桂芬酷似，培元叫郭冒充桂芬，佯稱省方派來的外交特派員，與白匪軍頭目交涉。郭永隆裝出一付外交專員的派頭，聲稱：你軍全副武裝來到中國境內(nèi)，為國際公法所不容。你軍實際情況我們有所了解，你軍如果對中國百姓毫無侵犯，則新疆政府可以酌情救濟些糧草，如果軍紀(jì)敗壞，釀成禍端，則新疆邊防軍為了保衛(wèi)國土，決不寬容。白匪軍見此情形，引兵遠(yuǎn)去，吉木乃地區(qū)于是平安無事。對此屆增新大為贊賞，將培元直接從連長提升為團(tuán)長。

培元升團(tuán)長后，仍然活動于北疆地區(qū)，以其頭腦清晰，能文能武，長于韜略，廣有人緣，而日益有威信。

1928年7月7日，新疆軍務(wù)廳廳長 樊耀南刺殺了 楊增新，當(dāng)時培元在烏魯木齊任講武堂教官，他擁戴民政廳廳長 金樹仁任新疆主席兼督辦。金上臺后升培元為旅長兼新疆政府軍事處處長。次年， 伊犁鎮(zhèn)守使牛時被調(diào)到焉耆道，便任培元為 伊犁鎮(zhèn)守使之職。1930年鎮(zhèn)守使改為屯墾使。（屯墾使即清代的 伊犁將軍，民國初年改稱鎮(zhèn)守使）。他調(diào)任 伊犁屯墾使后，便在北疆?dāng)U充兵力，發(fā)展羽翼，很快就將屬下部隊擴大為師，并自兼師長。

金樹仁統(tǒng)治新疆后，政治、經(jīng)濟極為糟糕，不滿之聲到處皆是。1931年初，激起“哈密事變”，哈密的少數(shù)民族除自身發(fā)動武裝暴動外，還邀請潰逃到酒泉的 馬仲英入新，把哈密新舊兩城包圍起來，一時新疆震動。 金樹仁幾次派援兵東下，皆被 馬仲英擊潰，駐喀什師鄂莫在晉省途中又病死。于是，在這年夏天， 金樹仁急調(diào)張培元為前敵剿匪總司令，以 盛世才充其參謀長，率馬步軍隊及白俄組成的歸化軍共兩萬多人，遠(yuǎn)擊 馬仲英。培元兵分三路東下，迅速將 馬仲英擊退，馬仲英的弟弟馬仲杰被打死。培元進(jìn)入了被圍困六個月之久的哈密城。由于這次戰(zhàn)斗，張培元聲望愈高。但是在張培元率部繼續(xù)追擊 馬仲英時， 金樹仁為保存自己勢力，而將其調(diào)回 伊犁，另派塔城都統(tǒng)黎海如為東路總司令以代替張培元。培元回到 伊犁，對 金樹仁有了猜疑，并感到不安。后來 盛世才倒戈反金，金調(diào)培元解烏魯木齊之圍，培元不予動兵。

1933年4月12日，烏魯木齊發(fā)生政變， 金樹仁被迫下臺出走。當(dāng)時新疆形勢非常混亂，對于誰能繼任督辦一職，人們議論紛紛，多以為就地位、聲望、資格而論，應(yīng)屬張培元。培元也自以為省方必有電來商。然而， 盛世才在烏魯木齊捷足先登，宣布代任督辦。 盛世才是一個政治投機分子，為了發(fā)展其個人勢力，上任后便與蘇聯(lián)交往甚密，而培元以保衛(wèi)國土為其信念，所以二人在政治上有了分歧。國民黨政府對此深有察覺，1934年8月，國民黨中央宣布劉文龍、 盛世才、張培元為新疆省政府委員，劉文龍任主席，盛世才任督辦，培元任 伊犁屯墾使兼新編第八師師長，意在以培元牽制盛世才。同時，國民黨中央外交部長兼司法行政部長 羅文干先到烏魯木齊監(jiān)視劉。盛就職，接著到 伊犁監(jiān)視培元任職，并乘機對培元面授機宜，主要是要他與 馬仲英和好，聯(lián)合反盛，還要他聯(lián)絡(luò)歸化軍，鞏固國防。

1933年10月， 羅文干離開 伊犁回南京。張培元便派人與 馬仲英取得聯(lián)系，相約在冬天南北夾攻烏魯木齊，消滅 盛世才。恰在這時， 盛世才為了武裝自己的所屬部隊，從蘇聯(lián)購得一大批軍械，當(dāng)裝滿武器彈藥的幾輛卡車途經(jīng)烏蘇時，培元令其駐精河團(tuán)團(tuán)長楊得祥全部截留。 盛世才派人交涉索取，培元以“此項軍械未經(jīng)中央核準(zhǔn)，由鄰邦購械入境，通過伊塔大道，我有責(zé)任搞清楚”為辭，不擬交還。于是兩人關(guān)系更為緊張，盛決意伺機消滅培元。

這年十一月下旬，已是公歷1934年元月，張培元正式舉兵南下省城。他派楊正中為前敵總指揮，率兩千人為前鋒，至石河子地方，與 盛世才的部隊相遇，激戰(zhàn)半日一夜，楊正中失利潰退。

培元任職 伊犁之后，勤于邊防，頗有名聲，蘇聯(lián)方面未敢輕易越境，并與張培元保持了良好關(guān)系。 盛世才自感勢力上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是張培元的對手，更難對付張、馬聯(lián)軍，便通過蘇聯(lián)駐烏魯木齊領(lǐng)事館、同蘇聯(lián)達(dá)成一種秘密協(xié)議。所以，張培元舉兵南下時，蘇軍兩千多人便從霍爾果斯入境，換上盛運去的中國軍服。冒稱是“塔兒巴哈臺軍”（意思是新疆政府所屬的塔城的 歸化軍），乘虛用飛機、大炮等武器，接連攻克伊寧、綏定、惠遠(yuǎn)諸城。

張培元后方受到意外的奇襲，又接連得到楊正中失利消息，自知后方失守，前線失敗，腹背受敵，很難支持，便將權(quán)力交給商會和各法團(tuán)，并留參謀長安熙朝協(xié)助維持地方，自帶親信數(shù)十人出走，準(zhǔn)備逃遁南疆。他們行至鐵板溝碼札地方，暮色濃黑，慘風(fēng)凄切，他心情異常沉重，就地夜宿。正在此時，隨從報告，附近有人馬行動，再加上白天有蘇軍飛機追擊轟炸，培元感到形勢全非，前景昏暗，很可能成為他人俘虜。他怕被俘后受辱，便起了自殺之心，于是令隨從全出，關(guān)起門來，伏案疾草遺書：“河山破碎，地方糜爛，奉職無收，再無面目見地方父老……”。然后沐浴一番，開槍自殺。時1934年1月6日，農(nóng)歷癸酉年（即民國二十二年）11月21日，當(dāng)時張培元剛四十歲。

培元自殺后，楊正中率部撤回北疆，因蘇軍再次入境，楊正中只好率部南下，被 馬仲英收編。不久，新編第八師的番號被撤銷， 伊犁勢力逐告結(jié)束。

張培元出身清貧，聰明能可，工書法，擅皮黃，奉母至孝。早年雖不有無賴之行為，但中年后以自身本事身于亂世，且能贏得人心，也算是英雄大丈夫，只可惜在有可能奪取烏城之機，竟死于外部力量之干涉下。