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年幼時跟隨劉炫學習，勤學不倦。劉炫對門生說：「行成體局方正，廊廟（朝廷官員）才也。」隋煬帝大業末年，察孝廉，為謁者台散從員外郎。王世充廢黜皇泰主楊侗，為鄭國皇帝，以張行成為度支尚書。

621年，王世充被唐朝擊滅後，張行成以隋朝的資歷補宋州谷熟縣尉。應制舉乙科，改陳倉縣尉。吏部侍郎張銳向唐高祖推薦，高祖授張行成雍州富平縣主簿，有能幹的名聲。任職期滿，補殿中侍御史。彈劾不避權戚，唐太宗對宰相房玄齡說：「古今用人沒有不通過別人介紹，而行成是朕自己發現的。」唐太宗在宴會上，提到山東（陝州以東）人、關中人時，常常有所區別。說：「天子四海為家，沒有東西之別。如果有，將會被人看作偏狹。」唐太宗認為他說得對，賜名馬一匹、錢十萬、衣一襲。開始讓張行成議論大政方針，累遷給事中。641年，轉刑部侍郎。643年後，為太子少詹事，讓他輔佐太子李治。645年，唐太宗征討高句麗期間，他讓太子在張行成的老家定州監國，張行成隨高士廉等輔佐。太子對他說：「今天送公衣錦還鄉。」令有司祭祀其先人墳墓。張行成推薦了幾個同鄉，太子以他們太老了，厚賜遣歸。回京後為河南巡察大使，檢校尚書左丞。

646年，唐太宗去靈州接見擊敗薛延陀後，歸附的鐵勒酋長。開始，要帶太子一起去，張行成認為讓太子在長安監國，鍛煉執政能力更好，唐太宗同意了，進張行成之位為銀青光祿大夫。649年，唐太宗在翠微宮去世，託孤於長孫無忌和褚遂良。長孫無忌和褚遂良秘密將太子和皇帝的靈柩運送回京。張行成與高季輔扶立太子李治即位為唐高宗，高宗任命張行成為門下省侍中，兼刑部尚書，封北平縣公，監修國史。

651年八月，拜張行成為尚書左僕射，652年，立太子李忠，加授張行成太子少傅。653年九月，張行成去世，高宗輟朝三日，贈開府儀同三司、並州都督，諡號定。唐高宗去世後，張行成配享高宗廟庭。