他出身豪门，天资聪颖，15岁拜武痒生李凤山为师习武练功。20岁考中武庠生。练就了一身刀马纯熟的武功，所用两柄大刀，一柄重120斤，一柄重180斤。所用犀牛角弓，需300斤臂力方能拉开，人称“神童”，弱冠即中秀才。
1890年(清光绪十六年)会试中武进士。是年殿试（恩科），在京与山西王金钩比武。张宪周打马疾驰，身稳如山，在马上挥舞120斤重的大刀轻松自如；举重时，重360斤的志石，一声“起！”张宪周稳稳举起，后又放180斤大刀于上，绕场一周，他面不改色，全场欢声雷动。轮到山西王金钩举志石事，他刚举两下，汗如雨流，扔下志石而退。光绪帝遂点张宪周为武状元，京城一时流传“点了张宪周，气死王金钩”之民谣。
1891年(清光绪十七年)封为陆部朝参镇殿将军。1894年(清光绪二十年)赴任开州(今河南濮阳)协镇。他爱民如子，使农有余粟，商有余财，道不拾遗，夜不闭户，百姓交口称赞。后迁任崮关、娘子关从一品参将。重农治本，兴修水利，使一方五谷丰登，歌舞升平。
1900年(清光绪二十六年)庚子之变，八国联军进犯北京，京畿失陷，光绪皇帝和西太后仓惶西逃，联军闻讯分道追驾，张宪周勤王护驾，行至居庸关，利用山高谷隘，埋兵布阵，袭击洋人，使光绪皇帝化险为夷。光绪帝在西安龙德殿召见张宪周时说：“挽狂澜之既倒，支大厦之将倾，乃社稷之臣，诚功莫大焉。”后光绪皇帝返京，御赐金字匾额“捍御功伟”，至今犹存。
后来，张宪周被委任兖州镇守使，尚未赴任，却被他人从中做梗，用重金将官职买去提前充任。张宪周愤而返乡，不再出任。他两袖清风，仅几间民房几亩薄田。返乡后亲躬田亩，自食其力。于民国三年（1914年）郁郁离世，享年五十二岁。
在郓城县张鲁集乡状元张楼村内，现存“状元祠”与张氏家族家庙，内供奉张氏家族列族牌位与张宪周照片，村旁有两处庞大张族坟冢、墓碑等。状元张楼的张氏家族历史悠久，横跨明代、清代至今。今海内外阜的张族后裔常来状元张楼祭族追根，谒拜祖坟。
