由于张奂政绩卓著，延熹六年(163年)，朝廷调他担任度辽将军，进驻曼柏，代表朝廷处理鲜卑、乌桓事务。数年间幽、并二州地区，清静无事。
延熹九年(166年)春，又调张奂担任九卿之一的大司农，掌管粮食、货币等国家经济。这时北部边境的鲜卑，听到张奂的调离消息，便勾结南匈奴、乌桓数道入塞，或五六千骑，或三四千骑，攻掠沿边九郡，杀掠百姓;同年秋，鲜卑又率八九千骑入塞，联结东羌、上郡沈氐、安定先零等羌人共攻张掖、酒泉，沿边深受其害。为了平息叛乱，朝廷仍以张奂为护匈奴中郎将监督幽、并、凉三州及度辽、乌桓二营。南匈奴和乌桓听到张奂率兵到前线时，便率众二十万口投降。张奂诛其首恶，对降众采取安抚办法。惟独鲜卑率众退走出塞。
桓帝延熹十年春(167年，同年六月改为永康元年)，东羌与先零羌五六千骑攻掠关中，围祋栩(今陕西耀县)，掠云阳(今陕西淳化西北);同年夏，羌人复攻没两营，杀千余人;同年冬，东羌岸尾胁同种人，复钞三辅(即右扶风、左冯翊、京兆尹)。这时张奂便派司马尹端、董卓二人经兵进击，大败羌人，斩其首领，俘羌人万余人。三辅地区又获得和平与安定。因破羌有功，他申请把他的家由边郡敦煌渊泉迁到内地弘农华阴(今陕西华阴)，得到朝廷特许。灵帝建宁元年(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，唯赐钱二十万。
这年正月，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。这时护匈奴中郎将张奂新到京师，不明真相，宦官曹节便矫制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。公卿以下凡为蕃、武所举者及门生故吏，都免官禁锢。张奂却任少府，又拜大司农，以功封侯。张奂恨为曹节所卖，上书固辞封侯。
建宁二年(163年)四月，张奂借出现大风雨雹灾情，上疏灵帝，为窦武、陈蕃伸冤，要求给他们及其家属平反。事未成，却遭到宦官的怨恨，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，又遭宦官曹节等人的反对，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。
司隶校尉王寓出于宦官，想让大臣们举荐他，百官畏惮，莫不相应，惟独张奂拒绝了他的请求。王寓怒，遂诬陷张奂结党。这样张奂便以党罪免官回家。
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：“小人不明，得过州将，千里委命，以情相归。足下仁笃，照其辛苦，使人未反，复获邮书。恩诏分明，前以写白，而州期切促，郡县惶惧， 屏营延企，侧待归命。父母朽骨，孤魂相托，若蒙乡怜，壹惠咳唾，则泽流黄泉，施及冥寞，非奂生死所能报塞。夫无毛发之劳，而欲求人丘山之用，此淳于髡所以拍髀仰天 而笑者也。诚知言必见讥，然犹未能无望。何者?朽骨无益于人，而文王葬之;死马无所复用，而燕昭宝之。党同文、昭之德，岂不大哉!凡人之情，冤则呼 天，穷则叩心。今呼天不闻，叩心无益，诚自伤痛。俱生圣世，独为匪人。孤微之人，无所告诉。如不哀怜，便为鱼肉。企心东望，无所复言”(《后汉书·张奂列传》)。
