幼承家學(xué)，早讀經(jīng)史。1899年，張相文攜子張星烺來到人文薈萃的上海。年僅11歲的張星烺則考入南洋公學(xué)留學(xué)甲班（小學(xué)低班）。后考取北洋大學(xué)，學(xué)習(xí)理科。1906年被選派赴美國留學(xué)，進(jìn)入哈佛大學(xué)化學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)。三年后，自哈佛大學(xué)化學(xué)系畢業(yè)，又到德國柏林大學(xué)攻讀生理化學(xué)，暇時好讀史書。在柏林大學(xué)取得學(xué)位之后，謝絕了國外的重金聘請，于1912年8月回國。但不幸患上肺結(jié)核病，只得在浙江黃巖的岳父家養(yǎng)病。家中藏書很多。他便利用養(yǎng)病之機飽讀史書，多方搜集中西交通史資料。1919年，張星烺曾應(yīng)蔡元培先生之聘為北京大學(xué)化學(xué)系教授，同時與父親張相文一起兼任該校國史編纂處特別纂輯員，并被派往日本調(diào)查民國史料。1926年，他應(yīng)聘為廈門大學(xué)國學(xué)研究所所長，還先后在輔仁大學(xué)、清華大學(xué)、北京師范大學(xué)、燕京大學(xué)等高等學(xué)府擔(dān)任教授，海內(nèi)外許多有成就的歷史學(xué)者皆曾蒙其教誨。除任教編史以外，張星烺還繼續(xù)不斷地搜集中外關(guān)系史方面的有關(guān)史料，先后翻譯了兩種版本的《馬可波羅游記》。歷經(jīng)十幾年努力，從中國正史、野史、游記、文集、筆記等274種書籍和英、德、法、日文等42種書籍中摘錄有關(guān)資料。上自天文、下自地理，民族、文化、科技、歷史、政治、經(jīng)濟、生物以及重要的歷史人物，加以闡述，并作考證。終于在1926年38歲時，完成了《中西交通史料匯編》的初稿。1930年，《中西交通史料匯編》正式出版，全書共分六大冊，3000多頁，100余萬字。

由于張星烺在中外關(guān)系史上的淵博知識和勤奮嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，使他成為我國中外關(guān)系史學(xué)科的重要開拓者，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界久享聲譽。

張星烺得高望重，為一代學(xué)術(shù)宗師。他的教學(xué)，旁征博引，以論證史實，語言簡練，內(nèi)容詳盡，嘉惠學(xué)子頗深。他任輔仁大學(xué)史學(xué)系主任，與輔仁大學(xué)校長陳垣先生同為當(dāng)時史學(xué)系的著名教授，甚為學(xué)生所景仰。他教書育人，獎掖后進(jìn)，熱心幫助學(xué)生。一位品學(xué)優(yōu)良的學(xué)生，畢業(yè)后欲至燕京大學(xué)研究所深造。他為了助成此舉，以高齡之軀，步行數(shù)里，當(dāng)時交通極為不便，往返為之聯(lián)系，使這位優(yōu)秀生終于實現(xiàn)其志愿，后得赴美留學(xué)。她為了懷念老師，于1989年設(shè)張星烺教授獎學(xué)金于北師大歷史系。1946年至1950年，張星烺還曾擔(dān)任中國地理學(xué)會理事長，其前身即其父張相文倡辦的中國地學(xué)會。由于長期帶病工作，他的健康狀況越來越差，于1951年7月13日與世長辭，終年63歲。臨終時他給子女留下遺言，把父親張相文和自己的所有藏書及自己的手稿，全部捐贈。1954年家屬遵其遺囑將藏書4萬余冊贈給中國人民大學(xué)圖書館。其中大部分是古籍線裝書，多為山水志、雜志、地方志和清代詩文集，中國人民大學(xué)吳玉章校長曾宴請張星烺先生家屬，并給予謝金。其藏書經(jīng)整理后，將部分《地學(xué)叢書》、《地學(xué)雜志》、《中西交通史料匯編》等書贈給了全國各大圖書館。