張超然，1940年出生于溫州市區虞師里，曾在溫州四中、溫州中學就讀。

1966年2月畢業于清華大學，分配到成都勘測設計研究院工作。

他先后主持過金沙江溪洛渡、四川錦屏一級高壩、桐子林、沙牌、小關子、東西關、冷竹關、西藏金河等大中型水電站的可行性論證研究和勘測設計工作。

1983年，張超然擔任二灘水電站設計總工程師，后任成勘院總工程師。任電力部成都勘測設計研究院總工程師等職務期間，主持或參加我國二十世紀已建成的最大水電站-二灘水電站發及金沙江溪洛渡，四川官地、桐子林、沙牌、冷竹關等大中型水電站的勘測設計工作。在高混凝土拱壩設計計算方法與準則、高拱壩泄洪消能、高強度大體積混凝土特性等關鍵技術研究和成果應用上取得重大成果。

1986年，主持編寫的《二灘電站初步設計報告》獲水利水電總局頒發的優秀設計一等獎。在該電站設計優化及招標文件編制過程中，由他主持完成的多項科研成果，包括世界上最大和運用條件特別的導向洞──二灘導流洞優化等關鍵技術，使二灘工程設計達到國際先進水平。由他負責編制的《二灘土建工程國際招標文件》，得到世界銀行的高度評價，被確定為東南亞地區世界銀行國際招標工程標書的典范。

針對二灘工程出現的一系列難題，國家科委組織了“七五”攻關。他和同事們一道，在“七五”攻關中緊密結合二灘電站勘測設計實踐，攻克3個專題，經過驗收“總體達到國際先進水平”，其中一項關于高壩壩基巖體穩定性方面研究成果，獲國家科技進步一等獎。此外還有多項成果榮獲國家三等獎和省、部級科技成果獎。

1996年，張超然出任中國長江三峽工程開發總公司總工程師。他參與了三峽工程重大技術問題的決策；協調和解決科技應用和攻關中存在的意見和問題；協調和解決現場施工中出現的疑難問題，為三峽工程建設作出重要貢獻。

在三峽永久船閘地表與地下工程的技術攻關中，要制定二閘首南側地表f1239斷層的處理方案，當時設計單位主張采用挖填處理方案，該方案以1.3萬立方米混凝土代替挖走的同量斷層土石方。這個方案風險小，但資金耗費大，工期受到的影響大。在集思廣益的基礎上，張超然果斷提出錨索、錨固處理方案，為工程節省了300多萬元。地下工程隧洞襯砌，按傳統的規范做法，設計單位要求襯砌混凝土的齡期利用28天的前期強度。在充分征求多年從事混凝土結構研究專家意見的基礎上，他打破常規走新路，大膽提出了利用后期強度90天的意見。這“齡期”由28天改為90天，不僅減少了混凝土中水泥的用量，還降低了水化熱，提高了混凝土的抗裂性能。正是有了這種認真負責的精神，經他審定的三峽科技項目，質量沒有下降，要求沒有下降，經費卻少用了1000多萬元。走進大三峽，他參與了大江截流技術的重大問題決策研究，諸如預平拋墊底、戧堤堤頭穩定、導流明渠泥沙淤積處理、二期圍堰混凝土心墻型式的優化、大壩混凝土配合比的優化。

由于張超然工作勤奮，成績顯著，他先后獲得“成都市優秀黨員”、“先進生產者”、“有突出貢獻的中青年專家”、“湖北省勞動模范”等稱號，2000年榮獲全國五一勞動獎章稱號。

2003年當選中國工程院院士。