1925年春回國後，任東南大學(後更名為中央大學，現為南京大學)地質系教授、主任，講授經濟地質、構造地質等課程。在中央大學任職期間，在他的努力和建議下，成立了江蘇地質學院，將教學和科研結合起來，但不久後因故關閉。他還建議學校設立實驗礦，建設具有實驗室性質的礦冶博物館，采用討論式教學方式，著眼於培養學生的獨立思考能力和科研能力。
1931年9月受聘於沈陽東北大學礦冶系任教。到達沈陽僅16天，日本侵華“九壹八事變”發生，事發後他立即返回南京。1933年6月受聘為交通大學唐山理工學院(即唐山交通大學，現西南交通大學)礦冶系教授，講授第三、四門課程。1937爆發七七事變，唐山工學院成為日軍集中營，逼得全家逃往上海。不久，經雲南大學校長熊清來聘請，張正平赴雲南大學任教授兼礦冶系主任，並擔任中英庚子賠款教席。
1937剛到雲南大學的時候，師資和經費都極其匱乏。於是，他聘請了曾經在東南大學、唐山交通大學任教的同事和學生來任教，多方接觸。他得到了資源委員會、中英耿基金、文化教育基金會和雲南省財政廳的資助，使課程和設備日益完善，形成了欣欣向榮的局面。由唐山交通大學原教授葉家元掛帥的開元水電廠和從電廠到松樹角錫礦約100公裏的輸變電工程竣工，為礦山發展創造了必要條件。錫礦是在唐山交通大學38屆校友王定恒和35屆校友龔穗如的帶領下開始建設的。
抗日戰爭勝利後，應顧校長邀請，於1946年初回到四川璧山湯山交通大學任教。1948秋遷居上海後，應邀在蘇州焦作工學院兼職任教。1952年，唐山交通大學、北洋大學、清華大學礦業系合並為新的礦業學院，新校遷至北京，更名為北京礦業學院(現中國礦業大學)。張正平還加入了湯原礦業學院，擔任北京礦業學院教授，直到他於1966年5月去世。
在北京礦業學院任教期間，他擔任采礦工程系煤炭教研室主任多年，帶領數十名青年教師精心講授采煤方法等課程，為我國煤炭工業發展和經濟建設培養了大批人才。教學中，前蘇聯專家引進前蘇聯長壁開采技術，編寫采煤方法講座，編寫出版《采煤概論》(煤炭工業出版社，1960)，修訂《采煤學》，指導采礦工程專業研究生。