回国，任国立中央大学（即南京大学）物理系教授，讲授天文学、天体物理学和天体力学等课程。1941年任中央研究院天文研究所所长，1946年─1948年3月曾赴美研究交食双星光谱；1950年任中国科学院紫金山天文台台长，兼任南京大学天文系教授。曾连续当选为中国天文学会第一至四届理事会理事长。1955年当选中国科学院院士，60年代曾参与人造卫星轨道、月球火箭轨道研究，期间亦有被提审；1984年退休成为紫台名誉会长。1928年11月22日，张利用叶凯士天文台的望远镜发现了一颗小行星，编号1125，他将其命名为中华