张恩虬，1916年出生于广州。父亲是一位中学语文教师，擅长古典文学和书法，在其父亲的影响下，他从小爱好中国文学，通晓古汉语和诗词。上中学后，大自然的奥秘吸引了他，很快喜欢上了自然科学。1934年，他考入清华大学物理系。1937年“七七”事变后，北京大学、清华大学和南开大学合并成西南联合大学。
1940年，抗日战争进入持久战时期，张恩虬受到全国抗战的爱国主义教育，决心用自己所学的知识为抗战贡献一份力量。他转到重庆国民政府空军军官学校教无线电课，后又到重庆兵工署弹道研究所工作。在此期间，他写出了“迫击炮膛内弹道学”的研究工作报告，设计出一个炮口稳定器，以保证炮弹出口时有准确的方向，支援了抗战。
1945年，张恩虬考取公费留学资格，赴英国马拉德电子。
管公司进修。1947年回国后，在广州岭南大学物理系任副教授，讲授电磁学、无线电学和近代物理等课。中华人民共和国成立后，张恩虬响应党和国家发展科学事业的号召，放弃了南方家乡的舒适生活，北上长春，先后在东北科学研究所和中国科学院机械电机研究所任副研究员，致力于电真空器件的研制。那时，他和他所领导的科研小组成员，不避极其艰苦的工作条件，因陋就简，修旧利废，将原有的破旧器材利用起来，制造出一些电子管（如80，5Y3GT，12A，12F，47B管等），并于1954年，研制成功了中国第一支实验型示波管。这些工作在当时情况下，都对相关科学技术的发展起了雪中送炭的作用。
1954年，张恩虬被中国科学院派到清华大学帮助建立电子管专业，培养了一批教师和数名研究生，为开创中国电子学专业的高等教育事业作出了努力。
1956年，国家制订了十二年发展科学技术发展远景规划纲要，决定成立电子学、半导体、计算技术和自动化等研究所。张恩虬被调到北京，参加中国科学院电子学研究所的筹备工作，他主要负责筹建电子物理实验室，并帮助建立电子光学和气体放电实验室。1956年，因工作成绩出色被晋升为研究员。从那时起到1978年；他任该所的电子物理实验室主任。1978年，他出任中国科学院电子学研究所副所长和所学术委员会副主任，1980年被选为中国科学院技术科学部学部委员（现改称为院士）。
张恩虬于1951年参加中国民主同盟，1978年参加中国共产党。他曾任北京市政协第三、四、五、六届委员。他是中国电子学会会士， 《电子学报》编委会委员。
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1990年5月7日，逝世于北京。
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