张炳元9岁入本镇北大寺学堂念书。1930年9月考入天津市南开中学初中部，1933年秋升入该校高中部。在南开中学，张炳元耳闻目睹了进步学生掀起的革命风潮，在进步思想的影响下开始关注社会问题，并对社会现实有了初步的认识。
1935年12月，“一二•九”运动爆发。张炳元怀着对国民党“攘外必先安内”政策的愤懑之情，于12月12日中午和学生会主席吴祖贻等人组织召开了会议，决定致电声援北平各校同学的爱国斗争。12月17日，张炳元代表南开中学学生会参加了天津各校学生自治会联席会议，共同决定12月18日发动全市大、中学校的学生进行游行示威。
12月18日，张炳元和吴祖贻、梁华锠、高云屏等人组织南开中学的800多名爱国学生，参加天津各校学生游行大示威。爱国学生到市政府门前请愿，天津国民党当局以不露面的形式来抵制学生运动，爱国学生便改变方式，组织南下团，决定直接到南京找蒋介石请愿。到车站后，国民党当局阻止学生乘车，他们就计划步行南下，同时以在铁路上卧轨的行动表示抗议。后来，由于国民党当局的镇压，南下未成。
1936年初，张炳元和梁华锠等人组织了新文字推进会，创办了杂志《活路》。在《活路》杂志上，他们转载发表了很多文章、信件，公开批判蒋介石的“攘外必先安内”政策。4月初，经共产党员傅鹏翥介绍，张炳元和高云屏、梁华锠一起加入中国共产党，并成立了三人支部。高云屏为支部书记，张炳元任支部委员。
1936年夏，张炳元考入燕京大学新闻系。入校后，张炳元积极参加中共地下党组织领导的抗日救亡活动。1937年1月，张炳元担任燕京大学共产党党小组长，常以民先队员的身份参加活动，并吸引周围的一些同学参加民先。
平津沦陷后，张炳元暂时和中共党组织失掉联系。由于当时津浦铁路已断，他和同学陈金璧于9月13日从天津乘太古公司英商客轮到青岛，再乘火车到达济南。在济南的平津流亡同学会号召同学们参加韩复榘的第三集团军政治工作人员训练班。张炳元和陈金璧参加了政训班，在班中又遇到他在燕大同一共产党小组的刘甲三。政训班的政治课程多由中共党员和进步分子担任，主要讲抗日民族统一战线、《抗日救国十大纲领》和形势任务等，以培养抗日干部。这时因日军继续南下，姚第鸿带领200多名学员到了鲁西聊城，张炳元、刘甲三亦随队前往。
驻守聊城的山东省第六区行政督察专员兼保安司令范筑先赞同共产党抗日民族统一战线的主张，为此，中共山东省委通过上层关系，以国民党第三路军政训处名义，派张炳元等共产党员到聊城保安司令部政训处任政训干事，帮助范筑先发动民众进行抗战，随后又从第三路军政训班派出了一批学员到聊城任政训服务员。
张炳元等人赶到聊城保安司令部政训处报到后，看到城内各商号已关门停业，大街小巷萧条冷清，人心恐慌，便立即投入宣传发动民众的工作。他们首先组织起一支宣传队，深入到城内各主要街道，宣讲抗日救国的道理，号召各阶层民众立即行动起来参加抗战，使共产党的抗日民族统一战线政策深入人心，全城很快出现了参加抗战和支援抗战的高潮。
10月16日，国民党山东省主席韩复榘为保存实力，命令第四、五、六专区专员和县长立即率保安队向黄河以南撤退，当时任第六专区行政督察专员、保安司令兼聊城县长的范筑先，同意不愿南撤的张炳元、刘甲三等41名学员留下，并留给他们10支步枪、3000多发子弹，在聊城坚持战斗。
范筑先接受共产党的抗日主张后，决定在各县成立县政训处，积极发展力量，以抵抗日军的侵略。张炳元和吕世隆、裴光华等20人被派到茌平县政训处工作。吕世隆任政训处干事，张炳元、裴光华等人为政训服务员。这时茌平县的抗日斗争局面还没有形成，他们首先开展了组织人民群众抗日自卫、发动青年知识分子进行抗日宣传、开办训练班、培养地方干部等工作，并根据鲁西北特委负责人徐运北关于“把现有党员组织起来成立支部，并注意发展党员”的指示，建立了政训处党支部，由张炳元任支部书记。他们还深入到群众中去，发现和培养积极分子，在党支部成员的共同努力下，先后有裴光华、马芾村、阎戎、刘培桐等人被吸收加入共产党，为茌平共产党组织的进一步发展壮大奠定了基础。
1937 年年底，根据工作的需要，张炳元和吕世隆、裴光华等人一起调到莘县。张炳元作为中共鲁西北特委派到莘县的共产党代表任政训处干事，吕世隆为抗日县长，裴光华等人为政训服务员。
1938 年2 月初，张炳元主持召开了中共莘县县委成立会议，宣布了中共鲁西北特委的决定：张炳元任中共莘县县委书记，白雪亮为组织部长，冯子华为宣传部长， 王惠卿为群工部长。会议讨论决定了一些重大问题：第一，举办农会干部短训班，培养农村基层干部，对全县教员，特别是小学教员，分批进行轮训，发挥其在农村开展抗日救亡运动中的积极作用；第二，在积极要求革命的知识分子和农会的干部中培养和发展共产党员，尽快健全和发展共产党的基层组织；第三，成立县武装大队，各区成立一个基干自卫队，各村成立不脱产的自卫队、预备队，尽快把抗日武装队伍建立起来；第四，深入农村发动群众，组织农会、妇女救国会、青年抗日救国先锋队等， 建立各种群众组织，壮大抗日力量。
1938 年四五月间，为尽快解决政军群各方面对干部的需求，在张炳元的主持下， 中共莘县县委在莘县城内东街原第一高小院内，举办了农会干部短训班。张炳元承担了短训班主要课程的讲授任务。在张炳元、吕世隆、王惠卿等人的共同努力下，农会干部短训班和教师轮训班先后结业，为广大农村训练了大量干部，培养和发展了一批共产党员，为全县工作的开展创造了条件。
为迎接全国抗战高潮，壮大共产党的力量，5 月间，张炳元和中共莘县县委的其他领导一起，在莘县组织开展了轰轰烈烈的“红五月”运动。从农民互助会和其他群众组织中发展共产党员四五百人，使莘县的抗日救亡运动在人民群众中更加高涨起来。
正当张炳元在莘县的抗日工作深入开展时，形势发生了突然的变化，范筑先司令部的参谋长王金祥，是潜伏在部队里的顽固派首领。1938 年11 月，日军围攻聊城， 范筑先将军英勇奋战，壮烈殉国。莘县的国民党顽固分子也阴谋策动事变。16 日晚， 为了防止国民党顽固分子闹事，张炳元和吕世隆、王惠卿在吕世隆的办公室开了个小型会议，分析了当时莘县的情况，决定邀请第十支队迅速派一部分武装来莘县。张炳元立即给张维翰司令员写信告急，并派县农会副会长白璞送去。为了慎重起见，张炳元又同中共鲁西北特委书记徐运北联名给张维翰写了第二封信，让冯子华带着到聊西找第十支队。11月17日下午，在国民党顽固分子的操纵下，县长吕世隆被杀，县委书记张炳元等人被扣押。由于张炳元在群众中的威信很高，顽固分子没敢加害他。在党组织的积极营救下，张炳元等人很快被释放。不久，张炳元从莘县北部郭家一带辗转来到冠县，和撤到冠县境内的中共莘县县委的其他领导人一起，在冠县边界一带坚持斗争，重新开辟鲁西北抗日局面。
1939年1月，为了更好地领导鲁西北人民的抗战，恢复和发展鲁西北抗日根据地，中共山东省委决定撤销泰西特委、鲁西特委和鲁西北特委，成立中共鲁西区党委，下设五个地委。莘县、朝城、冠县边界一带为鲁西北地委(也称一地委)，由张炳元任书记。
张炳元上任不久，莘县的国民党顽固分子为进一步镇压抗日活动，把迫害对象指向抗日家属。张炳元得知后，立即以八路军第一二九师先遣纵队司令部的名义，给莘县师范学校校长、国民党县党部常委段继业写信，向段继业讲明国内外斗争形势及利害关系，并让其转告莘县国民党县党部的当权者，不得迫害抗日家属。
1939年7月13日，张炳元率少数干部夜宿中共鲁西北地委机关驻地莘县朝北化庄村，不慎被国民党顽固派马泽远部侦悉，他们立即派出一个营的兵力趁夜色包围了化庄村，并派出特务装扮成八路军，于黎明时分混进村中暗杀了张炳元。
张炳元遇害后，遗体被暂时安葬于化庄村外。1945年，位于莘县西北部丈八村的鲁西北烈士陵园建成后，烈士遗骨被移入园中，建墓安放。后来，烈士遗骨迁至河北省的华北烈士陵园。1987年5月3日，南开中学为张炳元等四位烈士建立纪念碑。1993年5月3日，由陈云题写碑名的“北京大学革命烈士纪念碑”在北大静园揭幕，张炳元等83位烈士的英名镌刻其上。（李 丹）
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