任湖南省委副书记兼长沙市委书记，2001年任湖南省人民政府代省长，次年正式当选为省长。2003年3月17日，中华人民共和国国家主席胡锦涛发布第二号中华人民共和国主席令，根据中华人民共和国第十届全国人民代表大会第一次会议的决定，张云川被任命为国防科学技术工业委员会主任。2007年8月底，又调任中共河北省委书记。2008年1月当选为河北省人大常委会主任。2011年8月不再担任河北省委书记、常委、委员职务，任第十一届全国人大环境与资源保护委员会副主任委员。