在此情况下，张元勋激励士兵突围，出敌不意，杀出生路——他自己一马当先，如晴空霹雳般迅速向倭寇冲杀，部下在他的鼓舞下，一齐冲进敌阵，倭寇于是披靡大败，被斩杀300余级，余倭逃入广东境内。此战，戚家军一破倭寇于仙游，再破之同安，三破之漳浦，张元勋和同乡李超表现出色，勇冠三军。谭纶和戚继光以为“冲锋决胜”应以张元勋的功劳为最大，并且赞誉他：“杖马箠以先人，义不避死；率雁行而赴敌，勇可冠军。功当首论者也。”于是，张元勋因功升福建北路守备。
大海盗吴平勾结倭寇占据南澳，张元勋又统陆兵击退倭寇，与李超等一起围倭寇于龙头寨，搜山捕剿，共擒斩140余倭，尽歼之。因功，晋升为福建署都指挥佥事，世授海门卫指挥使。第二年，升任福建游击将军，威名大震南疆，又狠狠打击了入侵福安的倭寇。
吴平海盗遗党曾一本引导倭寇入侵，千艘战舰直逼广东、福建沿海，他跟随福建总兵李锡会同俞大猷，与敌大小六战，获全胜，擒斩1700余级，缴获战船360余艘，从而歼灭此股海盗，因此晋升为福建副总兵、管参将事。擢升为署都督佥事，接替广东总兵郭成，镇守广东。倭寇进犯，广州高州、雷州等地相继失陷，张元勋应提督殷正茂之邀率军赴援，奋勇争先，斩敌数十百级，倭寇大败，四处奔逃，明军斩俘1075人，将高、雷地区的倭患基本平息。倭寇攻陷铜鼓石、双鱼城，张元勋率军设伏于儒峒，围歼倭寇，大获全胜，俘斩812人，缴获器仗、马匹无数。
此后，张元勋在广东先后率兵镇压了惠州河源唐亚六、广州从化万尚钦、韶州英德张廷光、肇庆恩平陈金莺，以及潮州、惠州一带的蓝一清、赖元爵、林道乾和罗旁瑶寨土著等反明政府力量，平定十多个影响重大的社会动乱，为朝廷立下汗马功劳。从而晋升为署都督同知，世袭百户。不久，又晋升为都督，改荫锦衣，授封“护国庇民”大将军。后因病辞归，广东百姓“攀辕泣留”，哭声震原野，百姓建“元勋张公纪念祠”，并塑像祭祀。
张元勋深虑官场倾轧，决定功成引退，告老还乡，居家十年，种竹养花，徜徉山水，自号逍遥道人，病卒于家。墓在长屿镇小屿山东麓，尚存，朝廷赐祭赐葬，特进光禄大夫、上柱国。