廣州起義引起帝國主義和國民黨反動當局的極度恐慌，他們聯合起來鎮壓起義。由于敵我力量懸殊，雖經起義軍民浴血奮戰，但是到１２日下午，起義武裝已經難以與敵軍抗衡，敵軍攻占了起義軍的重要陣地，并分兵直撲起義總指揮部。張太雷聞訊，立即乘車趕赴前線指揮戰斗。車行至廣州市大北直街（現解放北路）附近，遭到敵人伏擊，他身中三彈倒在插著紅旗的敞篷汽車里，壯烈犧牲。臨終，他向戰友們囑托，要和敵人戰斗到底，完成黨交給的任務！１３日，敵軍重占廣州，廣州起義失敗。

張太雷為中國革命獻出了２９歲的年輕生命，用自己的熱血和青春實踐了他年少時立下的“愿化作震碎舊世界驚雷”的誓言。他卓越的才華、無畏的精神、卓著的功勛，永遠值得人們懷念。在他的母校——天津大學，立有張太雷烈士銅像。在他的家鄉江蘇常州市，建有張太雷紀念館，是全國愛國主義教育示范基地、全國重點文物保護單位，也是人們緬懷、紀念、宣傳、研究張太雷業績與精神的重要場所。