上海，祖籍江苏高邮。1978年，年仅15岁的张首晟越级录取复旦大学物理二系（该系实为原子能系，为对外保密而名为「物理二系」）。1980年，他前往德国柏林自由大学留学攻读理论物理，1983年获硕士学位。他赴美国纽约州立大学石溪分校深造，师从彼得·范尼乌文赫伊曾（Peter van Nieuwenhuizen) 教授，研究方向是超引力，1987年获博士学位。张首晟博士毕业后，先在加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究，在杨振宁(1957年诺贝尔物理奖得主)影响下，改变研究方向，研究具前瞻性的凝聚态物理，