1930年春，张辉任湘鄂独立师特务连连长。同年8月，他随军编入红十六军第七师第一团任团长。在攻打长沙围城不克的情况下，红一方面军撤围转往江西。张辉率部在往湘赣边界转移的途中，参加了攻占湘阴县城的战斗。抽调张辉和部分红军干部，组建了湘北独立团，张辉担任了独立团第一营营长。1931年春，湘北独立团扩编成湘赣鄂独立第一师，张辉任第一团副团长，先后参加了湘鄂根据地第二、三、四、五次反“围剿”。

　　1934年9月，张辉率部随军西征。1935年春，张辉调任红十八师第五十四团团长、红十六师四十六团团长。同年11月19日，随红二、六军团长征。

　　1936年7月5日，红二方面军成立，张辉任红二方面军第六军十六师师长。1936年10月4日，红二方面军以红六军为右纵队，以红二军及红三十二军为左纵队，奉命撤离成、徽、两、康地区北上，向静(宁)会(宁)地区集结。5日，红六军十六师作为先头部队到达秦州李子园，师长张辉率领一个连夜袭娘娘坝，为大部队顺利通过娘娘坝扫清道路。战斗中，张辉身负重伤。黎明时分撤到李子园普华寺时，张辉因伤势严重，光荣牺牲，时年25岁，是在天水牺牲的级别最高的红军将领。