Tháng 12 năm 1930, trong cuộc khủng bố của chính quyền thực dân, Trương Vân Lĩnh bị chính quyền Anh ở Hồng Kông bắt giam 2 tháng.[10] Tháng 1 năm 1931, sau khi ra tù, ông đến Thượng Hải và lại bị bắt, giao cho cảnh sát thực dân Pháp dẫn độ về Đông Dương.[2] Ngày 15 tháng 5 năm 1932, ông bị Tòa Nam án Nghệ An tuyên án khổ sai chung thân và tịch thu toàn bộ gia tài ở quê. Tháng 10 năm 1932, ông bị giam giữ ở nhà tù Lao Bảo (Quảng Trị), bị đóng cùm trong xà lim cũng như xiềng vào chân và cổ.[4]

Tháng 5 năm 1941, ông bị giải lên nhà ngục Đăk Mil. Ngày 5 tháng 12 năm 1942, ông cùng Nguyễn Tạo, Chu Huệ, Trần Doanh vượt ngục thành công, về Nghệ An, Thanh Hóa hoạt động.[2][4][11][12][13]

Tháng 9 năm 1944, Trương Vân Lĩnh cùng Nguyễn Tạo được Trung ương Đảng giao nhiệm vụ tổ chức trường quân sự ở tỉnh Thái Nguyên để đào tạo cán bộ quân sự cho Xứ uỷ Bắc Kỳ.[2] Ngày 16 tháng 9, ông bị Pháp bắt ở bến đò Hà Châu (Phú Bình, Thái Nguyên). Không moi được thông tin, Trương Vân Lĩnh bị mật thám Pháp giải về Sở mật thám Trung Kỳ, rồi giải ra nhà tù Hỏa Lò (Hà Nội).[4]

Cuộc vận động Cách mạng tháng Tám thành công, ông được giải thoát khỏi nhà tù. Cuối tháng 8, cùng Nguyễn Văn Lý tham gia ban giám hiệu Trường Quân chính kháng Nhật, hỗ trợ Hiệu trưởng Hoàng Văn Thái.[1] Ngày 2 tháng 9, ông được bổ nhiệm làm Giám đốc Trường Quân chính thay Nguyễn Thanh Phong, phụ trách soạn thảo đại cương huấn luyện cho trường. Ngày 7 tháng 10, ông xin xung phong Nam tiến chi viện Nam Bộ kháng chiến, được toàn bộ học viên khóa 4 hưởng ứng. Ngày 23 tháng 11 năm 1945, khi chưa kịp tổ chức xuất phát thì ông mất đột ngột ở trường.[1][2][4]