张世光毕业于黄埔军校四期步科，学习成绩优异。后在其恩师
钱大钧保荐下考入了由国民党主办的第一期陆军大学（正式期别为正则班第九期）深造。此后他在第88师短暂的当过参谋，便转入第10师当上了参谋主任，成了
李默庵的智囊。
抗日战争全面爆发之后，张世光跟着李默庵开赴山西战场和日军正面对战，当时他是第56团上校团长。在太原会战以及晋南反攻时，张世光以身作则，指挥所部与日军奋勇作战，曾被第二战区誉为军中楷模。此后他又当过第10师参谋长、第14军参谋长和第83师副师长，始终与日军周旋于晋南，并在那里熬过了几年的艰苦岁月。
1943年3月，张世光被调到第94师，当上了少将师长。这个师原本是
朱怀冰用来“剿办”河北八路军的偏师，但是屡次被八路军所打败，最终朱怀冰也落荒而逃。第94师在遭到重创后奉命调到后方进行休整，低落的士气一直笼罩在这个部队中。张世光到职后锐意整顿，逐渐使这支部队恢复了朝气。
根据第15军军长武庭麟的部署，第94师奉命守备洛阳城东南地区，15军的两个师则分别担负城西、城北防务。从5月11日开始，日军集中优势兵力对洛阳守军发起了围攻，张世光指挥所部英勇奋战，战况极其激烈，其中又以东关的争夺战最为惨烈。战至24日，所剩无几的守军终于在武庭麟的命令下开始了突围。张世光的94师经过偃师、登封、临汝、伊川、伊阳、嵩县，于6月15日艰难的抵达了卢氏，经过收容，94师只剩下2000不到，其中又以非战斗兵员为主。相对于衡阳守军是装备精良人员素质优良的嫡系主力，而守洛阳的部队是士气低弥战斗力不强的杂牌部队第15军，以及刚刚恢复战斗力却缺少实战经验的第94师，并且是在部队损失殆尽的情况下突围而出。
当第94师在抗战胜利之际被裁编时，张世光被调到了第88军当副军长，而军长便是先前担任第10军军长的
方先觉。解放战争爆发后，身为整编第88师副师长的张世光驻节徐州，他所在的部队被作为徐州
绥靖公署的预备队。当整88师在救援金乡友军的战斗中遭到重创时，师长方先觉被撤了差，张世光便顺势接任了师长。不久，解放军刘邓大军转入大别山活动，张世光奉命带着整88师跟了过去。经过金乡之战，张世光对于解放军的战术有了些许了解，他吸取了前任失败的教训，命令部队不轻易冒进，在查明解放军动了，他再带着部队跟上去，解放军一停，他也马上命令部队停止前进，并立即构筑防御工事，整88师在大别山半年多，竟然毫发无损。
1947年10月，就在整88师“跟踪”解放军到毛坦厂、山王河一带时，突然遭到了解放军的阻击。张世光根据经验判断，认为解放军有围歼己部的企图，急忙命令部队向张家店转移，试图与六安的友军会合，但为时已晚，解放军早就完成了对整88师的包围，经过一昼夜激战，整88师师部以及所属整62旅全军覆没。只身逃脱的张世光抵达徐州汇报战况后被剥夺了兵权，旋即调任中央训练团当军事训练班主任。
由于国民党的主力部队在长江以北地区大部覆灭，优秀的指挥官也损失颇多。为了重新编练新军，以及充实前线的指挥官，张世光再次被重新起用。1949年2月，张世光被任命为第10军军长，归第12兵团司令官
胡琏指挥。张世光早年曾经在
陈诚兼任第14师师长时短暂的当过旅参谋主任。不过胡琏对于这位外来户并不信任，就在12兵团因兵源枯竭，部队由浙江调到江西征兵的时候，胡琏以整军为借口，把第10军的士兵全部补进了18军，空番号的第10军也就于1949年5月被取消了番号。
在遭遇了多次失败后，张世光最终离开了前线指挥官的岗位。1949年张世光随部前往台湾，空挂第12兵团副司令官的虚衔。此后胡琏升任金门防卫司令官，又象征性的提拔张世光为副司令官。不久后，张世光后选择从军队中退役，改行从商。