张学铭至死都没有等到哥哥张学良重获自由。
赵春桂是张作霖原配夫人，两人成婚后，赵春桂为他生下四个孩子：一个早夭的儿子、张学良、张学铭还有女儿张首芳。
赵春桂对张作霖的仕途起到了相当重要的作用，张作霖经常和别人说：“如果没有她（赵春桂），这些年我不知道要得罪多少弟兄。今后你们有什么事，可以找你们信得过的大嫂。只要她答应下来的事，我没有不同意的。”
赵春桂和张作霖结发在乱世，张作霖发迹后，赵春桂却没有办法和他同享福。
张作霖和赵春桂成婚没多久，就结识了民女卢寿萱，赵春桂知道丈夫已经移情别恋，于是心平气和地同意其将卢寿萱迎娶进门。卢寿萱嫁进张家后，和赵春桂相处得不错，赵春桂去世前，还曾经自己年幼的两个儿子张学良和张学铭都托付给卢寿萱抚养。
随着张作霖的仕途不断升迁，他开始喜新厌旧，不断地迎娶姨太太们过门，虽然家中仍是赵春桂在操持家政内务，可她实在是无法接受丈夫接二连三迎娶新人的现实，两人的裂痕越来越大，在一次激烈争吵后，性情刚烈的赵春桂一气之下在次日清晨不辞而别，带着孩子回了新民老家。1912年，赵春桂染病身亡，年仅38岁。
赵春桂去世后，张学铭先是跟着大姐以及兄长张学良在新民县旧宅里读私塾，之后又前往沈阳求学，在二姨太卢寿萱的照顾下，张学铭进入奉天省立高等学堂读书，张学铭也足够争气，以优异的成绩在学校毕业。
当时哥哥张学良已经能够统率军队带人剿匪，张学铭非常羡慕兄长，也想进入讲武堂深造，却被张作霖拒绝了，在张作霖看来，张学铭不适合进入军旅带兵，更适合去做学问。不仅是事业，就连婚姻大事张作霖也一并包揽了，他为儿子张学铭选择了一位大家闺秀姚氏。张学铭对父亲的包办婚姻不满，又无法违逆“父母之命媒妁之言”，最后还是和姚小姐结为夫妻。
成婚后，张学铭仍旧没有放弃进入军界的想法，他想要追随兄长的步伐救国救民，再加上对包办婚姻的耿耿于怀，他更想要找一个让自己解脱的方式，可父亲的命令他又不敢违背，所以总是郁郁寡欢。最后，在兄长张学良的鼓励下，张学铭放弃了去军队的想法，决定出国深造。
对于儿子出国留学的想法，张作霖举双手双脚赞同，1925年，张学铭东渡日本求学。
张学铭和张学良虽然分隔两地，但两人始终保持着良好的关系，每次张学铭在日本遇到困难，都会写信向兄长求救，张学良即便再忙，都会给弟弟出主意。
1928年，张作霖皇姑屯遇难，远在日本留学的张学铭中断学业，回国奔丧，次年他带着妻女前往天津，并在那里结识了朱洛筠，两人志趣相投并结为夫妻。
西安事变后，张学铭在国外听说兄长被扣的消息，第一时间就要回来营救，被张学良制止。张学良让回香港探望儿子张闾琳的赵一荻代为劝阻，在见到兄长的亲笔信后，张学铭决定忍一忍，暂时留在香港。
期间，日本人也盯上了张学铭用威胁利诱的手段拉拢他为她们做事，被张学铭拍案大怒，喝退了前来劝降的汉奸。张学铭宁可当普通百姓，也宁死不愿做汉奸。
1945年，日本投降后，赋闲多年的张学铭重新回到东北，他履职后也曾伺机营救自己的兄长张学良，可惜，一直到蒋介石去了台湾，他想要解救兄长的愿望都没有实现。
全国解放后，张学铭回到天津，并积极参加到社会主义建设中，他曾是天津市政协的常委，全国四届政协和五届政协的委员......
张学铭在生命的最后几年，仍旧关注着兄长张学良的信息。1982年，张学铭在一次政协的学习会上，看到国内一本杂志上刊载了张学良和赵一荻，用高倍望远镜眺望祖国大陆的照片，当场发出：“我张学铭今生见不着我大哥，做鬼也要去一趟台湾！”的誓言。
1983年，张学铭病情加重，他意识到自己时日无多，对兄长的思念更甚。他临终前留下的遗言是：“我大哥苦熬了四十七个寒暑，我等待了四十七个春秋。终未见上一面......”
4月9日，张学铭以77岁高龄在北京去世。一直到生命的最后一刻，张学铭都没能和兄长张学良重逢，成为毕生之憾。