1933年，福建事变爆发时，戴笠已先期派张炎元秘密将厦门警备司令黄强和十九路军补充师的旅长赵一肩、司徒非等将领全部收买过来。

1934年12月，复兴社北平站站长陈恭澍因绑架刘兆南一案东窗事发，弃职潜逃，其余的人几乎都被抓了起来，北平站几乎瘫痪。张炎元临危受命，被派到北平接任。

1936年6月，两广事变爆发，时任中国国民党宪兵司令部政训处处长的梁干乔被派回老家搞策反，张炎元将复兴社北平站站长职务交给了刚刚从特务处书记长位置上卸任的李果谌，回到南京接替了梁干乔。

1937年，抗日战争爆发后，任中央宪兵司令部政训处处长。军事委员会西南运输处副处长兼警卫稽查室主任，中美合作运输处处长，运输统制局监察处处长。

1943年2月10日授陆军少将。1945年任公路总局副局长。

1946年6月改任南京国民政府“国防部”第二厅第一处处长。

1946年10月任“国防部”第二厅副厅长。

1947年随黄镇球返粤任广东保安副司令兼保密局(军统局改称保密局)广州站站长。

1948年12月2日，从广州专程飞抵汕头，在汕头市政府礼堂，开五区警政会议，各市、县首脑参加。会议强调提高“剿匪”意识，彻底实施查户口，开展冬防工作。而后借助汕头的无线电话机，频频约谈各部队的营长、团长，甜言密语，封官许愿，极尽拉拢之能事。在其分化下，部分坚持立场的中国国民党军官带走七个连的士兵，脱离起义部队。

1949年到香港。1950年在香港被郑介民任命为保密局东南执行部组织部长。

1952年2月赴台湾，任中国国民党中央委员会第六组(心理作战组)主任。

1955年3月1日，“国防部保密局”改为“国防部情报局”，专门负责对大陆的破坏活动。毛人凤患肝癌住院，宋美龄受蒋介石委托探望，后送美国治疗，医治无效回到台湾后病逝。毛人凤生前推荐张炎元接任情报局长，张炎元也是军统早期骨干，经蒋介石同意，继毛人凤为“国防部”情报局局长。

1956年10月授陆军中将，任防务部门情报局中将局长。

1957年10月在中国国民党“八大”上被选为中央执行委员，兼任情报局局长。

1960年调任中国国民党中央委员会第二组(敌后党务组)主任，由叶翔之接任情报局长。

1961年改任中国国民党海外工作统一委员会秘书长。

1963年11月免去国民党中央执行委员职务。

1969年3月在中国国民党“十大”上被选为候补中央执行委员。

1970年兼任“中越文化经济协会”常务理事。

1971年当选中国国民党中央评议委员，台湾足球协会主任委员。

1976年11月在中国国民党“十一大”上被选为中央评议委员。

1981年3月在中国国民党“十二大”上被选为中央评议委员。

1992年委托侄孙女张伶返故乡，参加大坪镇程风中学建校45周年纪念活动，并捐款建教学楼，亲函同意受聘任程风中学名誉董事长。

2005年8月13日在台湾病逝，终年101岁。

张炎元生平著有《天涯流浪歌》、《爪哇三年》等。

1987年编校的《张炎元先生集》和1993年编校的《张炎元先生集续编》。这两本册子印刷精美，内容大量涉及20世纪30至40年代戴笠领导下的军统局和五六十年代在台时期的“国防部情报局”的往事。