一九六一年八月四日，张旭出生于江苏省无锡市下辖的宜兴市。自一九八零年八月至一九八五年六月，他在中国人民解放军第四军医大学攻读神经生物学专业，顺利完成学业并取得医学学士学位。毕业后，他于一九八五年九月至一九九零年九月期间，留校担任第四军医大学神经生物学教研室的助教工作。随后，他远赴瑞典深造，于一九九零年十月至一九九四年七月在著名的卡罗林斯卡学院神经科学系学习，最终获得医学博士学位。学成归国后，他于一九九四年八月至十一月在第四军医大学神经科学研究所担任讲师职务，紧接着从一九九四年十二月至一九九七年十一月晋升为该研究所的副教授。在此期间的一九九五年，他凭借突出的科研潜力，获得了国家杰出青年科学基金的重要资助。自一九九七年十二月至一九九九年十一月，他进一步升任第四军医大学神经科学研究所的研究员。一九九九年十二月，他转入中国科学院系统工作，直至二零一零年期间，一直担任中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所的研究员。二零零八年四月至二零一零年八月，他承担了更广泛的管理职责，出任中国科学院上海生命科学研究院的副院长。二零一零年九月，其职责范围再次扩大，调任为中国科学院上海分院的副院长。在学术荣誉方面，他于二零一五年当选为中国科学院院士，随后又在二零一八年当选为发展中国家科学院院士。进入二零二一年，他的工作有了新的拓展：二月，他受聘为中国科学院上海高等研究院的研究员；同年三月，他出任上海脑—智工程中心的主任；六月，他又担任了广东省智能科学与技术研究院的院长职务。此外，在二零一八年三月，张旭曾在南方科技大学就脑科学与人工智能的前沿议题进行公开解读，并接受了媒体记者的相关采访。关于其学术活动与个人形象的各类图片资料，包括张旭本人的肖像及其参与科研工作的场景图片等，均有留存。
张旭在其研究中对慢性疼痛相关的背根节和脊髓基因表达谱进行了系统性的深入探索，由此揭示出包括内源性钠钾泵激动剂在内的多个新型痛觉信息调控系统，这些重要发现为临床镇痛策略的改进以及新型镇痛药物的研发奠定了崭新的理论基础。此外，他还发现了伤害性感受神经元内部不同阿片受体亚型之间存在的相互作用，并进一步揭示了这种相互作用与吗啡镇痛耐受现象之间的内在关联，从而拓展了关于受体复合体功能及其作为药物研究方向的科学认识。在另一项重要工作中，张旭团队发现成纤维细胞生长因子13（FGF13）能够通过稳定微管结构来调控神经元乃至整个大脑的正常发育，由此阐明了FGF13基因缺陷导致智力障碍发生的具体分子机制。根据2022年10月中国科学院大学官方网站所公布的信息，张旭曾作为负责人主持了多项国家级及国家部委级别的重大科研项目。截至2022年2月的统计数据显示，他先后获得了包括中国人民解放军科学技术进步一等奖在内的多项重要科研奖项。另据2022年10月中国科学院上海高等研究所官网信息显示，张旭已在相关学术领域累计发表科研论文达120余篇。
根据2022年10月中国科学院大学官方网站所公布的信息，张旭教授在该校承担了神经生物学等多门重要课程的教学工作。同期资料显示，在研究生培养方面，张旭教授已累计指导了十六名博士研究生与两名硕士研究生完成学业，目前仍在指导八名博士研究生及两名硕士研究生进行科研学习。2020年9月，在张旭教授的牵头与推动下，中国人脑图谱研究科创平台正式成立，这一平台旨在汇聚多方资源，推动我国在该前沿领域的创新研究。张旭教授在多个场合强调，年轻人无论选择何种职业道路，始终保持对世界的好奇心至关重要。他认为，除了在自身专业领域内坚持严谨求实的治学态度外，积极结交不同行业的朋友、拓展社会视野同样具有重要价值。张旭教授还特别鼓励当代青年应当培养一种四海为家的冒险精神，勇于尝试和探索。他指出，如果长期局限于手机和电脑屏幕前，人的视野格局与思维方式难免会受到无形制约。截至2022年1月，张旭教授因其在教育教学方面的突出贡献，已先后荣获中国科学院教学成果奖特等奖在内的多项重要荣誉。
张旭教授作为上海地区在脑科学与类脑研究方面的核心领军人物，始终活跃于科研前沿。他常被同事们亲切地比喻为一只专注而敏锐的猫头鹰，不仅拥有深夜仍保持清醒思考的毅力，甚至展现出一种独特的“一脑两用”能力——在绝大多数时刻，他至少将一半的注意力与思维持续倾注于科学研究之中。曾与张旭院士长期共事的研究人员回忆道，那段并肩奋斗的岁月令人格外难忘，他的工作风格具有鲜明的宏观视野与大尺度格局，往往以高瞻远瞩的大手笔推动领域发展，其所从事的科研项目大多属于具有显著引领价值与深刻原创性的重要工作，对整个学科方向产生了深远的影响。