张元勋，字世臣，浙江太平人。承袭世职任海门卫新河所百户。他深沉坚毅有计谋。时值有倭寇侵犯的消息，他隶属戚继光麾下。作战有功，晋升为千户。他随从戚继光攻破横屿诸贼，晋升为署都指挥佥事，充任福建游击将军。隆庆初期，攻破福安倭寇，改任南路参将。他随从李锡攻破曾一本，晋升副总兵。
五年(1571)春天，他被提升为署都督佥事，代郭成任总兵官，镇守广东。惠州河源敌贼唐亚六、广州从化敌贼万尚钦、韶州英德的敌贼张廷光劫抢郡县，不能控制。第二年，张元勋进剿他们。歼俘敌贼六百多人，唐亚六等人授首，余党均被平定。肇庆恩平十三村的敌贼陈金莺等人，与邻邑苔村三巢敌贼罗绍清、林翠兰、谭权伯，藤峒、九径十寨的敌贼黄飞莺、丘胜富、黄高晖、诸可行、黄朝富等人，相互煽动作乱。按惯例，两粤只有大征才能叙功，小规模的进剿是不叙功的，所以诸将不喜欢小规模的进剿。总督殷正茂与张元勋商议，小规模进击敌巢也记功，诸军争相奋战。殷正茂又秘密派遣副将梁守愚、游击王瑞等人屯兵恩平，像经常守戍在那里的人，乘敌贼不备，歼斩林翠兰等人，生擒罗绍清、谭权伯献给殷正茂。诸路剿击敌巢的人，获首功二千四百多人，放还被抢掠来的子女一千三百多人，生擒陈金莺，只有黄高晖等人逃跑了。张元勋向北到达藤峒，又生擒丘胜富、诸可行、黄朝富等八十八人。部将邓子龙等人抓获黄高晖、黄飞莺。三巢、十寨、十三村的所有敌贼全部被平定，其余的全部被安抚。
惠州、潮州两地相接处，山高险阻树木深茂。贼首蓝一清、赖元爵与同党马祖昌、黄民太、曾廷凤、黄鸣时、曾万璋、李仲山、卓子望、叶景清、曾仕龙等人各自占据险要结砦，控制方圆八百多里，同党有几万人。殷正茂提议对他们进行大规模征讨。正遇上陈金莺等人被消灭，诸贼恐惧。曾廷凤、曾万璋一起送子入学，马祖昌、叶景清也假意乞求投降。殷正茂知道他们使诈，征兵四万，下令由参将李诚立、沈思学、王诏，游击王瑞等人分别带领，张元勋在其中节制他们，监司陈奎、唐九德、顾养廉、吴一介监督这些军队，几路兵马齐头并进。敌贼被打败，他们还凭借险要进行固守。官军搜遍深林邃谷也找不到他们。而张元勋和唐九德，追击逃亡叛贼至南岭，一天一夜跑步赶到顾养廉的戍所，击破李坑，生擒卓子望等人。第二年击破乌禽嶂。曾仕龙被高山阻拦，张元勋假装饮酒庆祝，忽然进兵击破曾仕龙并生擒他。张元勋先后俘歼大贼头六十一人，次等贼头六百多人，击破大小敌巢七百多所，生擒斩杀敌贼一万二千多人。皇帝为他宣传捷功，告郊庙，晋升张元勋为署都督同知，世荫百户。张元勋又征讨斩杀敌人余党一千三百多人，安抚平定投降的人。倭寇都被平定。
潮州敌贼林道乾的同党诸良宝被安抚后又行反叛，袭杀官军，抢掠六百人带入大海。侵犯阳江，被打败后逃走。他盘据潮州的老巢穴，居住在高山顶上，不出来交战。官军扎营在淤泥之中。副将李诚立挑战，坠下马来跌伤脚，损失二百多人。敌贼出来抢掠而被打败，逃回巢穴固守。张元勋堆积草土和敌贼堡垒平，用火攻击敌贼，斩杀一千一百多敌人。这时是万历二年(1574)三月。捷报奏报朝廷，张元勋被增进世荫一级。敌贼遗孽魏朝等四巢也向官军投降。不久张元勋与胡宗仁共同平定诸良宝的同党林凤。惠州、潮州于是敌贼全无。这一年冬天，倭寇攻陷铜鼓石、双鱼城。张元勋在儒洞大破倭寇，俘歼八百多人。给予真正晋级。五年，张元勋随从总督凌云翼大规模征讨罗旁敌贼，斩杀敌贼一万六千多人。晋升为都督，改世荫锦衣卫官。不久因病辞职，死在家里。
张元勋出身小校，身经大小战斗百十次，威名震岭南。他与广西李锡并称良将。