顯然，張東蓀案有許多令人不解之處，亦即一樁撲朔迷離的懸案。如前燕京大學政治係外交組畢業生林孟熹在著作《司徒雷登與中國政局》中所言：“此案從未公開宣布或審理，僅在民主黨派內部作過簡單口頭傳達，後不了了之。”林氏進而綜合和歸納此案中的種種可疑之處。即：A.“張案是當年公安部破獲的最大一起間諜案，但中途轉給周恩來辦公室接手，不讓公安部繼續追查”。B.張案亦沒有經過司法部門定罪，據說中共有關方麵曾有此打算，但為毛澤東所阻。毛說“張對北平和平解放還是有功的，就算了吧”。對此，林氏疑惑道：“張對民主革命當然有功，豈止和平解放北平一端，問題是否功過相抵？”如當時曾參與上海解放的楊虎，“最後仍以間諜問罪，何獨厚於張？”C.當時的“三反”運動中，“值得注意的是，對張的批判沒有涉及其間諜罪行，盡管人們揭露了很多他的親美言行”。D.“案發之後張東蓀一直仍住在燕園的教授住宅，工資照領，直至1958年調到北京市文史館”。E.張東蓀本人此後亦“從未表示悔意與自責，反而理直氣壯地宣稱自己是愛國的”，則“莫非背後另有同幕”等。
看來要去掉附在張身上的重重迷霧，弄清事實真相尚需時日。
隻是張東蓀的“寓公”生活沒過多久，隨著“文革”爆發，1968年1月，已是81歲高齡的張東蓀以“叛國罪”被逮捕，關入北京郊區特種監獄——秦城。張被捕後，他的家人五年中一直不知其被關在何處。直到1973年，家人被通知，張東蓀“自絕於人民”，已暴斃於秦城獄中，終年86歲。據說他在臨終前，得悉美國總統尼克鬆已經成功訪問了中國，中美兩國和解並且達成和發表了《上海公報》後，張東蓀激動不已，以致老淚橫流，喃喃地說：“中美不能對抗，還是我對嗬！”（散木《從“張東蓀案”到“X”社案》，載《文史精華》，2003年11期）但是，這個遲到的消息並沒有絲毫減輕由於“張東蓀案”而帶給整個張家的巨大災難，令他始料不及的是，悲劇還將進一步上演。
當張東蓀被捕並關入“秦城”的同時，他的長子、留美博士、北京大學生物係教授張宗炳也遭逮捕，關入秦城監獄。當年張宗炳以第一名的成績考取了公費留美資格，並順利摘取康奈爾大學博士學位。朋友們都說張是一位絕頂聰明之人，在圈子中流傳著關於他過人才智的有趣故事。除了生物專業上的成就，張還精通數門外語，並且在詩詞繪畫書法藝術方麵有很深的造詣。其人口才極好，和陳同度教授一起被認為是北京大學生物係講課最好的兩位教授，很受學生歡迎。不過陳同度在張守炳入獄不久的1968年8月28日，於“文革”“清理階級隊伍”運動中服毒自殺。張宗炳和他的父親在秦城監獄的五年中，相互並不知道他們竟被關在隔壁監室。張東蓀被折磨致死後，張宗炳在監獄中也被折磨得精神錯亂，被秘密關押七年後，1975年被釋放。
當時在中國科學院動物研究所圖書館工作的張東蓀之妻劉拙如，在丈夫被捕後，被單位定為“批判鬥爭”的對象，後被“扭送”到海澱區公安局，監禁近一年。
由於張東蓀的“敵特”罪名，“文革”開始後的1966年，張東蓀的三兒子、社會學家張宗穎和其妻呂乃樸在遭到“鬥爭”後，雙雙自殺身亡。
1969年，在“清理階級隊伍”中，張東蓀的二兒子、中科院學部委員、著名物理學家張宗燧在北京中關村中國科學院宿舍自殺。