1932年3月24日，由于叛徒出卖，张一悟等74人被捕，关押在国民党山东第一监狱。国民党山东高等法院在取不到任何证据的情况下以“危害民国罪”判处张一悟死刑，后在邓宝珊先生的帮助下改判无期徒刑。1937年12月27日，日寇占领济南，张一悟与难友们趁机逃了出来，辗转到西安，见到了在八路军西安办事处工作的宣侠父。鉴于张一悟身体极度虚弱，宣侠父即派人护送他回到了兰州。

1938年1月底，张一悟先后见到甘肃工委书记孙作宾、同乡陈成义和八路军驻甘办事处负责人谢觉哉、伍修权等人，汇报了自己的情况。不久，中共甘肃工委组织部长郑重远为他恢复了组织关系，并安排他在苏联驻兰领事馆担任中文教师。1940年6月，中共甘肃工委遭到破坏，工委主要负责人罗云鹏、李铁轮、惠光前等同志被捕入狱，环境异常险恶。张一悟以行医和家庭教师作掩护，秘密从事革命活动。

1948年8月，党组织派人护送张一悟到陕甘宁边区。1949年西安解放后，党组织安排张一悟先后到临潼、大连疗养。新中国成立后，张一悟先后任甘肃人民委员会委员、省人民政府监察委员会委员、省人民政府委员。1950年12月底，张一悟从大连回到兰州，由于长期带病忘我工作，加上在狱中受到敌人残酷摧残，他的健康状况非常不好，经长途颠簸，到兰州后病情突然恶化，不幸于1951年1月3日逝世，终年56岁。

张一悟烈士纪念馆2011年被命名为甘肃省爱国主义教育基地，2012年被命名为甘肃省中共党史教育基地。纪念馆自开放以来，每年接待参观者20多万人次。