中国航天工业总公司改组为中国航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