建宁元年（168年），张奂便奉命率领军队回到京城洛阳。张奂论功当封，但张奂不事宦官，故未封，只赐钱二十万。
建宁元年（168年）正月，年仅十二岁的灵帝即位，窦太后临朝、窦武以后父为大将军辅政。在宦官势力十分猖獗的情况下，窦武与太傅陈蕃密议，图谋驱除宦官势力，但窦太后不肯。这年九月因机密泄漏，宦官曹节等便矫诏发动政变，收捕窦武等。窦武号召北军军士平定叛乱。
这时张奂新到京师，不明真相，曹节便矫诏令张奂率五营士围窦武，迫使窦武自杀，陈蕃被诛，窦太后也被幽禁南宫。公卿以下凡为陈蕃、窦武所举者及门生故吏，都免官禁锢。张奂去任少府，又拜大司农，以功封侯。张奂恨为曹节所欺骗，上书坚决辞让封侯。
建宁二年（169年），张奂借出现大风雨雹灾情，上疏灵帝说：“臣听说风是号令，动物通气，木生于火，风火相互作用，发生光明。蛇能屈能伸，配合龙的腾蛰。顺至是好的征象，逆来是祸害。阴气专用，就凝精为雹。已故大将军窦武、太傅陈蕃，或者志在安宁国家，或者方正刚直，之前因奸人说坏话，都被诛杀，海内默默，不敢说话，人怀震愤。从前周公葬不合礼，老天爷因此动威。现在窦武、陈蕃忠贞被杀，没有昭雪，妖祸的产生，都是为了这个呀。应当赶快改葬，把他们家属迁回原籍。因他们关系牵连获罪而被禁锢的人，都要平反，推翻一切诬蔑不实之词。又皇太后虽然居在南宫，但对她恩礼不接，朝廷里的臣子不敢说话，远近的人大为失望。要思念父母生我鞠我的恩情，应该有所报答的大义。”灵帝深为赞许此言，但被宦官劝止。张奂因而遭到宦官的怨恨，调张奂任太常。
这时张奂又与尚书刘猛、刁韪、韦良等共向朝廷推荐王畅、李膺可参三公之选，又遭曹节等人的反对，灵帝只得下诏对张奂等进行切责。奂等只得自囚数日于廷荐举，并罚三个月俸赎罪。
司隶校尉王寓为宦官党羽，想让大臣们举荐他，百官畏惮，没有不答应的，唯独张奂拒绝了他的请求。王寓怒，于是诬陷张奂结党营私。张奂便以结党罪免官回家。
张奂任度辽将军时，为攻击羌人曾与段颎相争，互不相服。等段颎任司隶校尉时，想逐张奂回敦煌，将其杀害。张奂忧惧，便写信给段颎谢错：“小人愚昧无知，得罪州将，千里托命，以情相见，您仁爱笃实，看我辛苦，我打发去您那儿的人还没有回来，又接了您的信，恩诏很清楚，前已写明。只是州里限期切促，郡县惶恐。我延颈企足，忧心惶惶地等待着去人的报命。我父母的骨虽已腐朽，而孤魂相托，如果蒙您怜悯我，为我说说话，那您的恩泽流于黄泉，及于后者，这不是我张奂生死所能报答的。没有毛发的微劳，却想求人丘山之用，这是淳于髡所以拍着大腿仰天大笑的啊。确实晓得所说的话，一定要为您所讥笑，但是，还是寄以希望，为什么呢？朽骨对人本来已没有什么用处了，文王却把他用棺埋葬；死马已再没有什么用了，但燕昭王以为是宝。党同文王、燕昭王的德，难道不伟大吗？大凡人之常情，受了冤枉就喊天，在困穷之际，就槌心。现在喊天天不应，槌心也无益，真正伤痛到了极点。我同您都生在圣世，我独为人所不理的人。孤独微贱，无人可与告诉。您如果不哀怜我，我便为鱼肉。企心东望，没有别的话可说了。”
段颎虽然性格刚猛，但见到信中所写情真意切，也不忍加害张奂。
从此，张奂便结束了他的仕宦生涯，回到弘农，闭门不出，与弟子千人，讲诵儒经，着《尚书记难》三十余万字。
张奂年轻时便有志向和节操，常对朋友说：“大丈夫处世，应当为国家立功边境。”后来担任将帅，确实立有功名。后来董卓想与其交好，让其兄赠张奂缣百匹。张奂讨厌董卓为人，拒而不受。
光和四年（181年），张奂在家中去世，终年七十八岁。遗命说：“我前后仕宦，屡任高官，不能同流合污，被坏人忌妒。一个人的富贵与穷困，这是命中注定的，一个人的生死，这是自然规律所决定的。但是地底下黑暗，永远没有天亮的时候，却用纩帛缠身，还在棺材上密密麻麻钉着钉子，这是我所不喜欢的。以前准备了窟穴，这就很好。早上死了，晚上就埋葬，把尸体放在灵床上，用幅巾盖着就算了。奢侈不学晋文，简朴不学王孙，顺乎人情，按自己的意思，或许可以没有罪咎了。”张奂的几个儿子都听从了他的话。
武威郡官民为纪念张奂，为其立了很多祠，世世祭拜不绝。
范晔《后汉书》：
①自鄛乡之封，中官世盛，暴恣数十年间，四海之内，莫不切齿愤盈，愿投兵于其族。陈蕃、窦武奋义草谋，征会天下，名士有识所共闻也，而张奂见欺竖子，扬戈以断忠烈。虽恨毒在心，辞爵谢咎。《诗》云：“啜其泣矣，何嗟及矣！”
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