1915年秋，张太雷考入北京大学法科预科，由于经济条件难以支持；同年冬，转往天津北洋大学法政科临时预备班；半年后，张太雷以优异成绩升入北洋大学法科法律学门乙班。

在校期间，张太雷通过美国教授创办的《华北明星报》结识了来自苏俄的俄籍汉学家鲍立维。张太雷在担任鲍立维翻译期间，开始阅读马克思主义的经典著作，如列宁的《国家与革命》，秘密翻译一些社会主义文献，以及一些介绍俄国十月革命和苏俄现状的文章。这一切成为张太雷自觉学习并接受马克思主义的开端。

十月革命爆发后，张太雷受李大钊《庶民的胜利》和《布尔什维主义的胜利》的启发，对中国革命和前途充满了信心和希望。他同正在北京大学读书的好友李宽说：“国家兴亡，匹夫有责。只有走十月革命的路，才能救中国！”为反对段祺瑞政府的卖国行为，1918年，京、津两地成立学生救国会，张太雷作为北洋大学学生代表组织发动示威请愿活动。1919年2月，张太雷发起组织旨在改造黑暗的旧中国的社会改造社，探索救国救民的途径。这是中国大学生最早的进步团体之一。

五四运动爆发后，张太雷参加了北洋大学学生会、天津中等以上学校学生联合会，以及天津各界联合会组织的爱国活动，成为天津地区爱国运动的骨干之一。作为北洋大学学生演讲团成员，他经常到天津市内和附近城镇乡村进行宣传活动，揭露反动政府出卖山东权益，唤醒民众爱国热情。他积极参加学生爱国活动，宣传反帝爱国、抵制日货的演讲，受到广大民众的欢迎。在此期间，张太雷作为学生代表参加天津各界抵制日货委员会，到街上各店铺宣传与查禁日货。由于在活动中表现出坚定的斗争性和突出的领导协调能力，张太雷被推选为天津学生联合决策机构——评议会的评议长，主持活动的策划、部署和协调等。张太雷还以天津学生代表的身份与北京学生代表一道向总统府和国务院请愿，要求释放被捕的同学。1919年12月，天津男、女学校学生合组的新天津中等以上学校学生联合会成立。张太雷当选该会演讲委员会筹备委员。在五四运动中，张太雷认识到人民群众团结战斗的巨大威力，同时结识了李大钊、邓中夏，并同周恩来、马骏、郭隆真、于方舟等建立了革命情谊。

五四运动后，马克思主义在中国日益广泛传播开来，形成一股不可阻挡的历史潮流。1920年3月，北京大学马克思主义研究会成立后，张太雷与天津一部分同学于方舟、韩麟符、安幸生等率先加入，他们如饥似渴地学习研究马克思主义。同时，张太雷不断将秘密翻译的社会主义文献送往北京，协助李大钊为建立中国共产党早期组织做了大量的工作，为他走上职业革命家道路奠定了坚实的基础。