张青莲于1908年7月31日出生于江苏省常熟县支塘镇的一个小康家庭。14岁时考入苏州桃坞中学，即圣约翰大学附中，曾在校内中、英文竞赛中名列榜首。1926年高中毕业时因成绩优异，原可免费直升该大学，但由于1925年该校美籍校长侮辱我国国旗，爱国师生纷纷愤而离校并组建私立光华大学。这一爱国行动得到张青莲的支持，他放弃圣约翰免费入学的机会而考入光华大学。他考虑到化学系毕业后除可在中学谋职外，还可以搞小型化学工业，因而选择了化学。在光华大学他只用三年半的时间，就读完了所需的学分，毕业时以第一名的成绩获得银杯奖。
大学毕业后，张青莲曾在常熟孝友中学任教一年。1931年考取清华大学研究生院。当时，他看到我国无机化学人才缺乏，遂选择了无机化学专业，在高崇熙教授指导下完成了研究稀有元素领域的论文三篇，分别为无机合成、分析鉴定和物化测量三个方面。最后以优异成绩获得庚款公费出国留学。鉴于美国早期的化学家中不少曾留学于德国，所以他决定到德国深造。1934年秋进入柏林大学物理化学系。由于他在国内大学已经读过13个学期的课程，按德国的规定只需注册学习3个学期。他师从无机化学家李森菲尔特（E.H.Riesenfeld）。当时美国诺贝尔奖金获得者尤莱（H.C.Urey）因发现重氢并制得重水，引起国际化学界很大震动。李森菲尔特根据张青莲已有的科研基础，建议他以重水的研究作为博士论文的题目。他在购得挪威生产的第一批重水商品后，立即开始了重水临界温度的测定研究。当时用的是微量法，石英玻璃毛细管内径0.3毫米，恒温器温度要达645K，管内压力达20兆帕以上。封管时常会炸裂，实验难度较大。他在导师的指导下，夜以继日的奋力工作，于短期内完成了重水的临界温度的测定。但重水的凝固点和沸点都高于轻水，而所测得的重水临界温度却比轻水低2.7℃，这似乎是一种反常现象。这个结果于1935年春发表在德国物理化学杂志上，4年后为德国另一学者用精密的常量法所验证。
张青莲所完成的轻水、重水全温程的两相密度状态图发表后，被苏联布洛茨基《同位素化学》（1957）一书所引用。他曾精心设计了一个通过比较轻水、重水蒸气压差的实验，观察到蒸气压差有一个位于498K的转折点，并揭示了这反常现象的本质。这篇论文与美国实验室独立进行的类似研究工作同时发表，得到了相互验证。
要测量半重水和重氧水的蒸气压，须先建立同时分析这两种取代水的方法。他采用硫化氢使氘正常化，并用测量密度微差的浮沉子法，以测定正常化前后的密度值。这样测得的半重水和重氧水在100℃以下的数据，和重水蒸气压数据一起，后来作为用蒸馏法生产重水的重要科学依据。
1935年冬，张青莲收集了柏林和瑞典的雪水样品，首次测出其中半重水及重氧水的含量，观察到均低于普通水中的含量，且雪中的含量差大于雨中的含量差。在此基础上，通过查阅同位素取代水在河湖、海洋、动植矿物中的含量数据，他首次提出了氢氧同位素在地球各界中的分布理论，对后来的实验及理论研究，有着深远的影响。
张青莲在两年的重水研究中，共发表论文达10篇，与美国实验室同行的工作构成了早期重水性质研究的经典文献。在发表文章时，李森菲尔特与张青莲都表现出谦让作风，争着把对方的姓名放在自己的前面，体现了师生间在学术上的互相尊重。
1936年，李森菲尔特受到纳粹迫害，教职被撤销，但张青莲仍坚持跟他从事研究工作。那年6月，张青莲考得博士学位。李森菲尔特被迫离开德国到瑞典皇家科学院物理化学研究所工作，张青莲随同去瑞典做访问学者，又共同工作了一年。他用气体混合物作为同位素混合气体的模拟物，通过膜壁进行扩散分离的研究。
在留学西欧的三年中，张青莲在做研究工作的同时，还从许多权威科学家，如化学动力学创始人博登斯坦（M.Bodesntein）、诺贝尔奖金获得者哈恩（O.Hahn）等的讲学中得到不少教益。他在柏林聆听了来访的第一流科学家包括诺贝尔奖金获得者的学术报告，并在瑞典听取获奖报告；还参观了赫尔兹（G.Hertz）、斯维德贝格（T.Svedberg）、西格班（K.M.Siegbahn）三位获奖者的实验室以及著名的剑桥卡文迪什实验室和巴黎的居里镭学研究所。这些学术活动，对张青莲献身于科学事业不断做出成绩而成为著名的化学家和教育家，有着重要的影响。
张青莲在瑞典时收到<政治性差错>化学研究所所长庄长恭的电报，被聘为副研究员。这个聘任是庄长恭从杂志上看到他的文章后决定的，对于一个素昧平生的青年人来说，在当时是很罕见的。由此可见，张青莲在早期的科研工作中已充分显露出他作为科学家的素质和才华。
1937年7月，张青莲取道大西洋、北美洲、太平洋辗转回到上海，时值是日本侵华战争初期，化学所被迫停止工作。张青莲借用位于租界的光华大学的实验室，进行多种络合物合成的研究。次年应光华大学之聘而为该校教授。他指导两名四年级学生的毕业论文，一个做络合物合成，一个为用半微量法测定25℃下氯化钠在轻水、重水混合液中的溶解度，两个论文都得到很好的结果。
1939年，昆明西南联合大学的化学系由于两位教授先后离校，被聘张青莲为教授。他取道越南赴昆明就职。当时西南联大虽集中了国内众多知名学者，但条件却十分艰苦，科研工作难以开展。然而张青莲和化学系主任刘华秋分配给他的两名中英庚款研究助理一起用从国外带回的110克重水和一些石英玻璃仪器，完成了两篇重水性质的论文，其一是首次将测定重水密度时的温度提高到50℃，纠正了当时文献中靠近此温度之下密度有一最大值的假设。同时还完成了有关重水动力学效应的论文两篇。在采用乙醇铝水解法制取纯净的重乙醇时，因昆明海拔高而要测定其正常沸点，自制了一套恒压器。但当时纯试液只有1毫升，要在标准温度计读数恒定的一刹那间读取数据，要求熟练的技巧和有条不紊的操作步骤。他亲自完成了这一测定，首次精确地测得重乙醇的沸点和密度，此结果已被收入拜尔斯妲《有机化学手册》中。
1943年，在战争所造成的艰难困苦条件下，西南联大化学系的所有科研工作被迫停止。当负责中美学术交流的吴有训向张青莲征集论文时，他立即应允在三个月内交出一篇论文。他考虑到，25℃时碘在四氯化碳和水中的分配常数是教科书中引用的一项经典数据，若用重水代替轻水，研究此分配常数的同位素效应，该是一件有意义的事。于是自装一套恒温槽，每两天做一次碘浓度的实验。其中一天准备器材，翌晨自煮一壶开水提到实验室，注入恒温槽中，使水温迅速达到所要求的温度。恒温后转动封管使达平衡，然后取出重水相2毫升，有机相1毫升，用标定过的硫代硫酸钠溶液测定两相中各自的碘浓度，得到轻水重水中分配常数的变异为85∶103的结果，如期完成了他自己的许诺。
张青莲在西南联大工作期间，还指导光华大学一名助教，首次测定了重水摩尔凝固点降低常数，指导中央大学一名助教完成络合物合成一文。他综合了国内外所发表的重水论文撰写成《重水之研究》论文集一书，该书于1943年获得国民政府教育部学术二等奖。同时得此等级奖励的联大教授，还有王竹溪、闻一多等4人。
1946年清华大学迁回北平复校，校内化学馆已被日本侵略军洗劫一空。张青莲在此情况下，仍然坚持科研工作。他和助教首次将重水密度的测量温度范围提高到95℃，并外延至100℃，所得到精密数据的论文，原按通讯稿投寄英国自然杂志，但编辑部却把它转入正文栏，表明这一工作的重要性。
1949年中华人民共和国成立以后，张青莲的教学、科研活动得到了重视和支持，成果累累。
推进中国无机化学的发展
从1939年在西南联合大学化学系任教时起，张青莲讲授过高等无机化学、稀有元素、复合物化学等课程，为我国无机化学科研和教学人才的培养，做了大量的基础工作。
