同年夏天他去法国奥斯科夫海洋生物研究所，仅用两个月时间就完成了一篇高质量的论文，受到著名原生动物学家E·chatton的赞赏。之后转到斯特拉斯堡大学生物研究所工作并攻读博士学位，1932年完成“培养液中的细菌对草履虫内生殖的影响”，获得法国自然科学博士学位。

1932年，张作人受中山大学生物系主任罗宗洛电邀回国，被聘为中山大学生物系教授，1937年起兼任生物系主任。1948年，出任中山大学训导长。此后张作人因保护进步学生、营救教师，于1949年7月被捕入狱，关押50余天。释放后，他到海南、香港避居。在香港时，越南、新加坡、美国先后以高薪聘他，但他怀着报效祖国的希望，一一拒绝。

1950年，张作人由上海市市长陈毅电邀回沪，任同济大学教授兼动物系主任。1951年秋同济大学动物系和植物系并入华东师范大学生物系，他便随任华东师范大学生物系教授，1976—1981年任生物系主任，此后任名誉系主任。1957年他兼任中国科学院海洋生物研究所特约研究员，1963—1980年兼任上海自然博物馆学术委员会主任、动物馆馆长。他还于1962—1988年任第三、四届上海市政协委员，第五、六届上海市政协常委。

张作人作为发起人之一，于1934年参与创建中国动物学会。1981年他与其他原生动物学家一起，创建中国原生动物学会，先后担任理事长、名誉理事长。1954—1982年担任上海市动物学会理事长，1978—1984年担任中国动物学会副理事长。

张作人在1984年6月加入中国共产党。他自工作至退休近70年间，始终未离开过教育岗位，并一直从事原生动物学研究，为我国的教育和科学事业作出了重要贡献。

1928—1932年，张作人在比利时布鲁塞尔大学动物研究所和法国斯特拉斯堡大学生物研究所留学期间，便以原生动物作为研究材料，刻苦钻研观察和显示原生动物细胞形态结构的方法。回国后，他先后对原生动物形态、系统分类和纤毛虫区系进行了研究。

从50年代起，他带领学生，率先在我国开展原生动物细胞学的研究。1956年，他用自己改进的“银浸法”，成功地显示出草履虫皮层表面嗜银系统，首次在国际上揭示了草履虫肛门的详细构造，为阐明低等单细胞结构的完整性及其与功能的统一性提供了重要证据。从60年代起，他和学生又应用银浸法深入研究草履虫口器的形态和形态发生以及纤毛虫无性生殖和有性生殖中嗜银系形态发生等问题，取得了一系列成果。这些研究，当时在我国是绝无仅有的，在国际上也具有特色。

张作人在“文化大革命”期间遭受迫害，但“文化大革命”后他又重振旗鼓，在华东师范大学恢复建立了原生动物细胞学研究室。他带领学生，经过多年的努力，建立了一套具有我国特色的原生动物细胞学研究技术。他应用改进的能同时显示纤毛虫细胞核器和皮层纤毛器及其纤维结构的蛋白银染色技术，以及扫描电镜和透射电镜技术，又率先在我国开展了腹毛目纤毛虫无性生殖、有性生殖及其形态发生的研究，丰富了低等真核细胞生命周期中形态建成和控制的理论。

从1982年起，这些研究结果在《动物学报》、《动物学研究》等学术期刊上陆续发表。此后，他又带领学生，改进了国际上自1967年提出，1982年有所进展的显示纤毛虫皮层细胞骨架的生化去膜技术，成功地提取了纤毛虫皮层细胞骨架中的基体骨架、纤毛器骨架以及微管、微丝和居间纤维等多种结构，这一方法显著优越于原来的方法。在此基础上，他和学生进一步开展了纤毛虫皮层细胞骨架的形态及其演化动态的研究，首先将纤毛虫细胞形态学和形态发生的研究深入到皮层细胞骨架水平。研究成果从1985年起先后在国内、外重要学术期刊上发表。

由于张作人在原生动物细胞学等领域所取得的多方面成就，应国际同行的要求，第二届亚洲纤毛虫学国际会议于1986年7月由华东师范大学主办在上海召开，张作人被推选为这次会议的主席。他的研究成果得到国际同行的好评。在张作人等老一辈原生动物学家的努力下，我国原生动物细胞学的研究队伍迅速扩大，研究论文日益增多，这方面的研究正由显微水平、亚显微水平向分子水平的方向发展。

张作人还独辟蹊径，以原生动物为材料，研究了外界环境对生物的影响以及遗传中的核质关系，从而开拓了我国实验原生动物学的新领域。

生物科学中的一个传统学说是强调细胞核对遗传的控制作用，因而一般主张通过改变细胞核的方法来产生遗传变异。张作人带领他的学生经过大量的研究发现，在一定时期细胞质具有很强的遗传作用，也可以用改变细胞质的方法来达到这个目的。

60年代初，他选用一种细胞结构十分复杂的纤毛虫棘尾虫（stylony-chia）为材料，设计了独特的切割再生方案，当这种纤毛虫无性分裂中细胞内两个大核融合成一个圆球时，在显微镜下用自制的显微工具行使干扰细胞质而不触动细胞核的人工切割手术，然后取带有细胞核和部分细胞质的圆形切割块，让其再生，结果获得能正常分裂传代的由两个棘尾虫左右相互骈联在一起的“人工骈体棘尾虫”。这一结果证明，细胞核和细胞质之间的关系，不只是单方面的核主宰作用，而是细胞核和细胞质之间的相互作用。并且这种作用是动态的，随时间、地点和条件的不同而起变化。从1964年起，他连续发表了“一种遗传三百多代的人工畸型纤毛虫”、“人工诱导能遗传的骈体棘尾虫的条件”等著名论文。

此后，张作人又通过另一种干扰细胞质而不触动细胞核的切割方法，诱导获得也能正常分裂传代的由两个棘尾虫以背部相互联接的“人工背联体棘尾虫”。他和学生在追究“骈体”、“背联体”形成机理的同时，又设计了新的切割方法以及摘除细胞核和核移位的实验，研究这两种“人工双体”的核质关系，发现尽管细胞核具有遗传控制作用，但它们有时也受到细胞质的影响和制约，在一定条件下，细胞质对细胞核的形状、数目、大小和位置的遗传也起着控制作用，并发表了“骈体棘尾虫细胞质的分化”、“人工背联体棘尾虫的大核调节现象及其与细胞质的关系”等系列论文。

张作人用人工手术方法在棘尾虫上获得能正常遗传的“双体动物”，这在国际上是首创，他所创造的一套原生动物学技术在国际上处于领先地位。许多国际同行认为，张作人的研究为探索遗传的奥秘开拓了新的途径。先后有法国、比利时、苏联、美国、日本等10多个国家的科学家来函索取论文。此后，张作人主持的华东师范大学原生动物细胞学研究室对棘尾虫上发现的核质关系现象进行了系统研究，发表了一系列论文。

多年来，张作人的论文不但被原生动物学的研究工作者所引用，也不断被细胞生物学和发育生物学的研究工作者所引用。他的研究成果曾获得1978年全国科学大会重大科技成果奖，1980年上海市人民政府重大科技成果一等奖等多项奖励。他曾被评为1977年上海市科技先进工作者，在全国科学大会上也被授予科技先进工作者称号。1982年他被选为国际原生动物学家协会(thesociety of protozoologists)荣誉会员。

张作人在教学岗位上，先后开设过《进化论》、《达尔文学说》、《普通动物学》、《系统动物学》、《比较解剖学》、《细胞学》、《遗传学》等10多门课程。30年代回国后与朱洗一起编写出3册《动物学》（上、中、下册），填补了当时我国动物学教材的空白。中华人民共和国成立后，他坚持编写《草履虫》、《变形虫》等教学参考资料，1986年他出版《生物哲学》一书，从哲学角度阐述了他对生命起源、物种形成、遗传和进化等生命科学基本问题的看法，这也是他几十年工作指导思想的总结。

50年代初，他曾招收了几批原生动物学进修生。1957年，他在青岛中国科学院海洋生物研究所创建原生动物学实验室，培养出一批青年科技人员。60年代初，他在华东师范大学招收了一批研究生。1978年他受聘为华东师范大学动物学硕士生导师，1982年受聘为博士生导师，1986年受聘为动物学博士后科研流动站导师，招收了多批硕士生和博士生。在此期间，尽管他年事已高，仍然天天上班，继续活跃在教学和科研第一线，并亲自为研究生开设《原生动物学》、《生物哲学》等课程。

张作人对学生和助手在学习上和工作上严格要求，十分重视培养他们观察问题和分析问题的能力。他说“我不是简单地教知识，而主要教思想方法和技术方法”。他教导学生“要开创，就要实验、研究，这从现有书本上是得不到的。”他一贯主张“观察，观察，再观察，从大自然寻找和发现问题，追踪自然界物与物之间，整体和局部的相互关系和固有规律”。对原生动物细胞学研究，他认为“物质的排列方式较之物质本身更加重要。仅有物质是不能产生功能的，是由所有物质之间的相互关系而产生功能”。此外，他在科学普及方面也做了许多工作，发表过不少著作。几十年来，他培养出大批学生，其中有许多人已成为活跃在教育和科研第一线的骨干，继承和发展了他开创的事业。