鹹豐二年（1852年）夏天，張之洞三年縣學期滿，準備參加這年八月舉行的順天府鄉試，來到，住在外祖父蔣策家中。蔣策是直隸盧龍縣人，早年中進士，做過嘉定知府，後年老辭官，旅居北京。在蔣家，張之洞第一次見到他的族兄張之萬。他告訴之洞，鄉試要考九天三場，但考官評卷最重頭場，頭場又極重頭篇、頭段。這“三頭”開好了，便有了得中的希望，否則，頭場頭篇不為考官看重，後兩場考得再好也是枉然。張之萬要比之洞年長二十七歲，是道光二十七年丁未科的狀元，時任翰林院修撰。兩人雖屬同輩，但親疏早已出五服之外，隻能算是同姓同宗。就是這層關係，一度極大地影響張之洞的進身之階。
八月鄉試，張之洞銘記著兄長麵授的機宜，冥思苦想，極其認真地寫出一篇題為“中庸之為德也，其至矣乎”的八股文，自認為開了一個好頭。其餘兩場也不稍懈怠，篇篇字斟句酌，墨飽字圓，謹守程式，無懈可擊。重陽日榜發，張之洞果然名列順天鄉試第一，俗稱“解元”，他的那篇八股文被刊入《順天闈墨》一書中，成為人揣摩學習的範文。這一年，張之洞剛進十六歲。
中了舉人，便有了進而參加會試得中進士的資格。以當時張之洞的實力，應當能夠一氣嗬成，早日金榜題名，進士及第，但張之洞直到二十七歲那年才得中進士。這長達十一年中，前幾年耗在幫助父親辦理軍務，對付響應太平軍的貴州農民起義，以及結婚生子，為父親治喪守製，自然無暇無心於應試。到二十三歲那年，才再次回籍，準備參加當年的例行會試，不料族兄張之萬被任命為這次會試的同考官，按照科考規定，與當科考官有親緣關係的考生必須回避，張之洞不得不放棄報考的機會。第二年開恩科會試，同考官又是張之萬，他隻得再次循例回避。為了養家糊口，他當過幕僚和教書先生。暇時閉門讀書，研究古今王霸得失之道。同治元年（1862年），張之洞第三次入都應會試，雖然他的答卷沈博絕麗，繁征博引，行文有史漢遺風，但沒有考中，同考官範鶴生（武昌人，時官內閣中書）極力推薦，仍以額滿被擯。老先生為之扼腕歎息，深信來年此生必能得中。
同治二年（1863年）三月，張之洞地通過了會試，四月初九，榜發，得中第一百四十一名貢士。這次會試的同考官仍是範鶴生。老先生欣喜之餘，寫詩一首以記此事，內有“適來已自驚非分，再到居然為此人；歧路劇愁前度誤，好花翻放隔年春”等句。張之洞讀後寫詩奉和，其中有兩句是：“滄海橫流世，何人惜散才”，“神鑒能摸索，窮途仗挽回”，洋溢著對老師賞拔提攜的感激之情。
四月十四日複試，張之洞列一等第一名。二十一日，由皇帝親自主持的殿試在保和殿進行，隻考策論一門。張之洞在對策中首先稱頌當今皇上賢仁奮武，論述孔孟之道乃經世大法，接著用主要篇幅縱論當今國家內外交困，積弱不振的形勢，提出匡時起衰的種種對策，洋洋灑灑二千餘言。這篇鋒芒畢露，不襲故套的策論，卻為老於世故的閱卷大臣們所不悅，準備將他由一等第一名降至三甲（等）之末。強烈的反差引起同為閱卷大臣的士兼軍機大臣寶鋆的注意，他調閱了張之洞的對策，大為激賞，以為奇才，拔置二甲第一名。試卷進呈兩宮皇太後，以便最後核定等級名次。西太後見有張之洞的名字，立刻回憶起張之萬曾向她提起過他這位十六歲中舉的“神童”弟弟，又將其拔置一甲第三名（清製各科進士分為三等，即三甲，一甲三名，俗稱狀元、榜眼、探花，賜進士及第；二甲七名，賜進士出身；三甲若幹名，賜同進士出身）。
二十五日，宣布殿試最後結果的傳臚典禮在太和殿舉行，兩宮皇太後和皇帝親率三品以上文武百官，以及新科進士均得出席。儀式極為隆重，張之洞以一甲第三名的成績被賜予進士及第，並授予翰林院編修的官職，從此步入仕途。