与广州都统凌震结集部队分东西两路，誓图收复广州。12月，处于流亡状态端宗到达惠州授以龙图阁待制、广东制置使兼经略按抚，统领广东军政大权。景炎二年（1277年）4月，带兵收复广州。11月，元朝右丞相塔出（也称达春）与主将吕师夔、索多等进攻广州，其指挥战船在珠江河面与元军激战，再退入城内抵抗，城破后投降。次年二月，被解送至元大都（今北京）途中于大庾岭（今江西省大余县）去世，享年44岁。文天祥获悉张镇孙的噩耗，特题诗悼念。关于张镇孙的生平，《宋史》和《元史》都没有记载，只有明朝黄佐的《广州人物传·张镇孙传》等