后，自觉才能难以施展，于是决心叛宋投夏。
.张元和吴昊赶往边关，他们雇了几个人拖着一块大石板在前面走。石板上刻着两人嗟叹怀才不遇的诗句，他们跟在后面，吟诗大哭，希望以此引起边关统帅的重视。边关统帅还真接见了他们，带他们入帐聊了一阵。可是觉得话不投机，又把这两人送了回去。回到家乡后，张元被当地的县令打过一顿板子。这次侮辱让他下决心投靠西夏。
临行前，张元路过项羽庙，于是他“竭囊沽酒，对羽极饮，酹酒泥像，又歌‘秦皇草昧，刘项起吞并’之词，悲歌累日，大恸而遁。”张元认为自己的才干远高于朝堂之上那些庸碌之辈，有这些人当政，他永无出头之日。他要寻找一切机会证明自己的优秀，为此，他才不惜叛宋投夏。
他和吴昊来到西夏后，二人在一家酒馆里，终日饮酒，故意在墙壁上写下：“张元吴昊来饮此楼”，以引人注意。巡逻者见到，将他们拿下送予李元昊。李元昊责问为何他们犯了忌讳，二人大声道：“姓尚未理会，乃理会名耶？”
李元昊非常惊奇，释放了他们，并委以重任。二人投夏后，家属被宋羁押到随州。李元昊专门派出间谍，矫诏释放他们，带去西夏。李元昊称帝建国不久，任命张元为中书令，吴昊也被重用。
好水川之战，张元辅助李元昊大败宋军，宋军阵亡一万多人。望着好水川内的宋军尸体，西夏军师张元趾高气昂地在界上寺墙壁上题诗一首：“夏竦何曾耸，韩琦未足奇。满川龙虎辇，犹自说兵机。”用宋军尸山血海来博取功名，自得之意，溢于言表。他题言讥讽韩琦，署名时写了一大串官衔：“太师、尚书令、兼中书令张元随大驾至此。”同年官至国相。她素怀功名，以灭宋为志，力劝李元昊扩大对宋战争，攻取陕西关中之地，进而东向中原，同时联络契丹，让其攻打河北诸路，让宋朝受到两面夹击，势必陷入困境乃至崩溃。
好水川之战后，张元建议李元昊出兵渭州，待机攻取长安。李元昊采纳了他的意见，策划定川寨之战。李元昊那句“朕当亲临渭水，直据长安”的豪气干云通告，也是出自张元的手笔。
落第举人张元叛宋投夏危害极大，给了宋朝以巨大震撼与教训。嘉佑二年，宋朝改变了科举进士中的殿试录取制度，对凡是中了进士的人一律授以进士出身！即使那些成绩不算太好的，也授以“同进士出身”。尽量防止再出现文人叛逃，以致被敌所用之事。