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开元二十一年(733年)闰三月，可突于引东突厥兵来攻，经都山之战，大败幽州道副总管郭英杰所部。
唐玄宗鉴于可突于屡次犯边，两任节度使均不能御，于是决定选一个得力的将领镇守幽州。由于张守圭在陇右期间屡立战功，加上政绩出众，成为开元年间一个军政全能的著名边将。唐玄宗遂将张守圭调至幽州，任幽州长史兼御史中丞、营州都督、河北节度副大使，负责清除边患。不久，又加河北采访处置使，成为集军政大权于一身的将领。
当时契丹人可突于骁勇有谋，在契丹人中有很高威信，曾屡破唐军，是张守圭在幽州的主要对手。张守圭赴任后，立即训练士卒，修缮城堑。六月初三，张守圭率军进击契丹，初战告捷。此后又多次率部出击，屡破契丹，唐军士气大振。
张守圭一系列的有效措施引起了契丹主李屈烈和可突于的极大恐惧。二人见张守圭英勇善战，不敢正面交锋，于是屡败之后，采用诈降之计，企图争得喘息之机。张守圭针对其诈降术，将计就计，当即派管记、右卫骑曹王悔至其牙帐进行接洽，并根据诈降情况便宜行事。
十二月，王悔到契丹牙帐后，察觉契丹上下不但没有归降之意，而且还将军营向西北迁徙，并暗中派人联系东突厥，企图杀害王悔，继续反唐。为了粉碎可突干的这一阴谋，王悔成功拉拢分典兵马的契丹牙官李过折。时李过折与可突于分典兵马，相互争权不和，王悔遂施离间计，利用他和可突于之间相互猜忌的矛盾，唆使他袭杀可突于。李过折遂在深夜时分，率部包围了李屈烈牙帐，将李屈烈、可突于及其党羽全部诛杀，并率部向唐军归降。张守圭闻讯，亲率大军进至紫蒙州，守圭出师紫蒙川，举行盛大的阅兵式，宴赏将士，以显示兵威，镇摄契丹余众。同时将李屈烈及可突于的首级派人送往东都，唐玄宗悬其首于天津桥南示众。
张守圭来幽州的两年间，以军事打击和用间相结合，屡败契丹，给契丹以沉重打击，极大地稳定了幽州以北边境的局势，使幽州多年来的混乱局面开始稳定下来。
开元二十三年(735年)正月，契丹知兵马中郎李过折来唐廷献捷，唐玄宗封李过折为北平王、检校松漠州都督。唐玄宗对张守圭能在如此短的时间里便消灭了可突于感到非常满意，准备封他为宰相。但遭到宰相张九龄的反对。唐玄宗不甘心，欲：“假以其名而不使任其职。”张九龄又劝阻说：“守圭才破契丹，陛下即以为宰相；若尽灭奚、厥，将以何官赏之？”唐玄宗这才作罢。
二月，张守圭至东都报捷。唐玄宗兴奋之余，还亲为张守圭自赋诗，以示褒奖。随后加封他为辅国大将军、右羽林大将军、兼御史大夫，余官如故。并赐杂彩一千匹及金银器物等，赠两个儿子官位。还下诏在幽州立碑，以纪其功。张守圭继之出师，方破契丹于捺禄山。
开元二十四年(736年)三月，张守圭派平卢讨击使、左骁卫将军安禄山率军讨伐奚与契丹。安禄山因恃勇轻进，反为所败。四月二日，张守圭奏请将安禄山处斩。安禄山临刑大呼道：“大夫不欲灭奚、契丹邪，奈何杀禄山!”张守圭亦惜其骁勇，遂将其解送长安。宰相张九龄批示按军法处斩，但唐玄宗却下诏赦免。张九龄虽多次固争，唐玄宗最终赦之，为后来的安史之乱留下了隐患。
张守圭做为开元年间的著名边帅，长期戍边，戎马倥偬，多次与突厥、吐蕃、契丹作战，从一名下级军官成长为威震一方的将领，史书上称赞他是“立功边城，为世虎臣。”