建安二十三年（218年），刘备出兵攻打汉中，张翼也跟随参战。曹操亲自率兵前来救援，张翼跟从赵云在汉水之战中击破曹军。后转任涪陵县县令，升任梓潼郡太守，并逐渐升任为广汉郡太守，蜀郡太守。

建兴九年（231年），庲降都督李恢逝世，蜀汉朝廷任命张翼为庲降都督，兼绥南中郎将，驻牂牁郡平夷县，出震南中。张翼执法严厉，不得南夷欢心，

建兴十一年（233年），夷族首领刘胄起兵作乱造反。张翼出兵讨伐，还未攻破刘胄，蜀汉朝廷便征召张翼回朝，众部将都认为应该火速返回朝廷请罪，张翼说道：“不能这样，我是因为蛮夷起兵骚乱，不称职才被征召回朝的。

建兴十二年（234年）二月，诸葛亮兵出斜谷北伐曹魏，以张翼为前部都督，领扶风郡太守。八月，诸葛亮病逝，大军撤回成都，拜张翼为前领军，并追封之前讨伐刘胄的功劳，赐予张翼关内侯的爵位。

延熙元年（238年），张翼入朝为尚书，参与朝廷政务的决策。后升迁为建威督，授予节符，并进封为都亭侯，拜征西大将军，驻守蜀汉的北部边境。

延熙十八年（255年）春，张翼同卫将军姜维一起回到成都，姜维在朝堂上提议再一次出兵伐魏，唯有张翼一人当庭争辩，认为国家弱小百姓疲惫，不应该滥用武力，但姜维并没有听从张翼的意见。同年夏，姜维率领张翼等人出兵伐魏，并晋升张翼为镇南大将军。八月二日，汉军进至陇西郡狄道县，大败魏国雍州刺史王经的军队，王经退回狄道城，魏军死在洮水的士兵上以万计。姜维想要趁胜进军，张翼劝谏道：“可以停止了，不应该继续进军，进军的话可能会毁掉这份大功，就像为蛇画足一样。”姜维大怒，不听劝谏，将王经包围在狄道城内，后魏将陈泰和邓艾前来救援，汉军最终还是没有攻克城池。九月二十五日，张翼随姜维撤围退军。

景耀二年（259年）六月，张翼升任为左车骑将军，领冀州刺史，官位与右车骑将军廖化相等。当时的人说道：“前有王平、句扶，后有张翼、廖化。”

景耀六年（263年）八月，司马昭兴兵进攻蜀汉。后主刘禅派遣廖化去往沓中支援姜维，张翼、董厥前往阳安关口作为各围守的外援。九月，钟会军攻陷阳安关口，得以长驱直入，姜维亦为邓艾所逼，于是与廖化、张翼、董厥军会合，一同退守剑阁，抵御钟会的进攻。

曹魏景元五年（264年）一月，张翼随钟会回到成都，后钟会密谋造反，成都大乱。张翼在变乱中为乱兵所杀。