张文裕出生在福建省惠安县涂寨镇宫后村，父亲是当地的一名医生，有自家的药店，兄妹八个中夭折五个。当7岁的他刚刚懂事，父母就送他上读私塾，两年后到当地县城时化小学直接就读四年级。13岁的时候考入培元中学就读，当时他想辍学回家帮助家里干农活，在老师们的劝说下才挽回了他这个之后的大师，在亲友们的资助和努力得来的奖学金下他读了三年半中学，因为他父母想让他早早结婚，17岁的时候以母亲病危为借口骗他回家。
回到家后看到母亲身体健康知道自己被骗，趁着家里人不注意偷偷溜了出来，在大岞村的一所小学一边教书一边自学余下的中学课程。当他再次回到培元中学的时候已错过了毕业考试时间，在他不知所措之际中学校长亲自给燕京大学写了推荐信让他参加燕京大学入学考试。满怀希望的他揣着老师们资助的路费跑到了北平，结果又误了燕大的入学考试，因为他有推荐信，学校重新给了他单独考试的机会，也成功考入了物理系。
在燕京大学一边学习一遍打工，由于他成绩优异和生活拮据，在他大四的时候被物理系聘为助教，毕业后也一直在此任职教师，同时到研究院学习，大学毕业两年后获得了硕士学位。1934年他考取英庚款留学英国，到剑桥大学卡文迪什实验室跟随著名的卢瑟福学习研究，他主要从事核反应领域的研究，短短数年便在核反应共震现象的研究、8Li的产生和衰变的机制与8Be的核结构、高能光子与中子作用下新放射同位素的产生过程的发现和研究等方面取得重要成果。由于抗日战争的爆发他提前申请博士考试，并成功通过回到祖国。
满怀抗日激情的他1938年回国却无学校用他，次年到四川大学任教，半年后又到西南联大任职物理系教授，也是这个时候杨正宁和李政道等人成为了他的学生，同时还任职云南大学物理系讲授光学。由于报国无门的他恰巧被美国高校聘请，于是转到美国从事核物理研究，1943年到1949年这7个年头里他在普林斯顿大学亨利实验室从事研究，在这里他与同事建造了一台α粒子能谱仪并利用这套仪器测量了几种放射性元素的α粒子能谱，还进行μ子与核子相互作用的研究，在研究过程中发现了μ介原子。1950到1956年他又转到普度从事研究。
终于在1956年回国，回国之前也是经历了一些磨难，遭到了美国政府迫害阻挠，以及朋友同事劝说他加入美国国籍，他始终保持着一颗为祖国效力的红心。回国后领导参与了宇宙线的研究，并在云南落雪山宇宙线高山站增建一个较大的云室组。1961年他前往莫斯科杜布纳联合核子研究所从事研究，三年后回国领导我国高能物理的研究，1989年建成北京正负电子对撞机，此时的他高兴的像个孩子说“我的愿望终于实现了”。他也培养了一大批高能物理研究人员，利用自己的关系派遣他们到其他国家从事研究学习。
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