天科技集团公司和中国航天机电集团公司（后改称中国航天科工集团公司），张出任中国航天科技集团公司副总经理、党组成员，分管导弹、运载火箭和载人航天工程的科研和生产。2001年11月，任中国航天科技集团公司总经理、党组书记和中国载人航天工程副总指挥，负责统筹神舟五号、六号的发射任务；并在2002年11月召开的中共十六大上，首次当选为中央委员会委员。2007年8月30日，任国防科学技术工业委员会主任；并在中共十七大上，连任中央委员。2008年3月，第十一届全国人民代表大会一次会议上，国防科学技术工业委员会被撤销