1895年3月3日，张一悟出生于榆中县城关镇北关村， 1918年10月，考入北京大学预科班，受李大钊等共产主义者的影响和新文化运动的启迪，开始接受马克思主义。1919年参加了五四运动，作为甘肃旅京学生代表到段祺瑞府邸请愿，强烈要求废除“二十一条”不平等条约，释放被捕同学。同年秋考入国立武昌高等师范，在武汉青年运动领导人恽代英的影响下，进一步学习和研究马克思主义，确立了革命的人生观。1923年受北方区委的派遣回到甘肃， 先后在兰州、武威、张掖等地传播进步思想。1924年加入中国共产党。1925年3月12日，孙中山逝世，张一悟在武威组织召开了悼念活动，并作了《中国时局问题》的讲演，号召大家继承孙中山遗志，关心时政，振兴中华，为解放劳苦大众而奋斗。

1925年10月，冯玉祥的国民军暂编第2师师长刘郁芬入甘代（冯玉祥）行甘肃省督办职务，在该部任职的共产党员宣侠父、钱崝泉等随军来兰，根据中共北方区委和李大钊的指示，会同张一悟在兰州进行筹建党组织的工作。12月，经中共北方区委批准，中国共产党在甘肃的第一个组织——甘肃特别支部在兰州诞生，张一悟任书记，宣侠父、钱崝泉任委员。甘肃特支成立后，张一悟领导特支利用有利时机，在广泛宣传、动员、组织群众的基础上，采取集体培训和个别教育相结合的办法，培养进步骨干分子，秘密发展党员，加快党组织建设的步伐，以适应大革命形势迅猛发展的要求；帮助国民党整理和发展党务，打击国民党右派势力的挑衅，有力地推动了甘肃反帝反封建革命的向前发展。1927年4月，蒋介石发动反革命政变，为了保存革命力量，张一悟冒着极大的危险，在兰州五泉山嘛呢寺召开30多名共产党员参加的紧急会议，及时疏散了在兰州的共产党员。会后，他离开兰州赴陕西等地开展革命活动。

1927年11月下旬，张一悟在西安参与重建陕西省委和渭华起义的工作。1929年3月，中共陕西临时省委成立，张一悟担任省委常委。9月，受组织派遣去上海参加党的会议，因病滞留北京。1930年，他与中共北平党组织接上关系，被安排到铎民小学任教务主任，以此为掩护秘密从事党的工作。1931年8月，他奉派离开北平赴山东济南参加山东省委的工作，其公开身份为济南第一女子中学教务主任。

1932年3月24日，由于叛徒出卖，张一悟等74人被捕，关押在国民党山东第一监狱。国民党山东高等法院在取不到任何证据的情况下以“危害民国罪”判处张一悟死刑，后在邓宝珊先生的帮助下改判无期徒刑。1937年12月27日，日寇占领济南，张一悟与难友们趁机逃了出来，辗转到西安，见到了在八路军西安办事处工作的宣侠父。鉴于张一悟身体极度虚弱，宣侠父即派人护送他回到了兰州。

1938年1月底，张一悟先后见到甘肃工委书记孙作宾、同乡陈成义和八路军驻甘办事处负责人谢觉哉、伍修权等人，汇报了自己的情况。不久，中共甘肃工委组织部长郑重远为他恢复了组织关系，并安排他在苏联驻兰领事馆担任中文教师。1940年6月，中共甘肃工委遭到破坏，工委主要负责人罗云鹏、李铁轮、惠光前等同志被捕入狱，环境异常险恶。张一悟以行医和家庭教师作掩护，秘密从事革命活动。

1948年8月，党组织派人护送张一悟到陕甘宁边区。1949年西安解放后，党组织安排张一悟先后到临潼、大连疗养。新中国成立后，张一悟先后任甘肃人民委员会委员、省人民政府监察委员会委员、省人民政府委员。1950年12月底，张一悟从大连回到兰州，由于长期带病忘我工作，加上在狱中受到敌人残酷摧残，他的健康状况非常不好，经长途颠簸，到兰州后病情突然恶化，不幸于1951年1月3日逝世，终年56岁。