宋仁宗嘉祐二年（1057年），三十八岁的张载历经二十年的寒窗苦读，求学悟道，已渐渐成为陕西关中学识渊博、品行高洁、深受学者尊敬的贤达人士。这年，张载与蓝田名门望族吕大均一行数人，辗转奔波，历尽艰辛，来到千里之遥的京师开封参加三年一度的殿试。
殿试期间，张载有幸结识了主考官——当朝文学泰斗欧阳修，四川眉山县前来应试的学子苏轼、苏辙兄弟，河南洛阳的程颢、程颐兄弟及在朝官居相位的文彦博、司马光等人。按照惯例，殿试结束之后，学子们还必须在京城等待发榜。在候诏之际，时任当朝宰相的文彦博闻知张载对《易》颇有研究，十分高兴，于是差人将张载接进相府，与他商议在京城讲《易》之事。
张载见宰相礼贤下士，以诚相邀，便当仁不让，欣然应允。在文彦博的大力支持下，张载在京城相国寺，高坐虎皮椅（“虎”乃百兽之王，是权威的象征，虎皮椅是宋代封建统治阶级对贤达人士讲学的最高礼遇）讲《易》。宰相请人讲《易》的消息传开后，京城的人们奔走相告，纷纷而至，前来听讲的人有宫廷的达官贵人、文武官员，也有民间的僧尼道士、商贾名妓，更多的是文人学士和普通的平民百姓。
开封相国寺偌大的相国寺内，人头攒动，摩肩接踵，听讲的人个个洗耳恭听，专心致志，全场秩序井然，没有一丝喧哗。
张载从“易”的产生、发展、运用和作用等方面进行了深入浅出的讲解。他引经据典，举一反三，博得了听众的阵阵掌声。
连续多日，前来相国寺听讲的人群络绎不绝，几乎场场爆满。张载虎皮椅讲《易》轰动了整个京城。一时间，他在京城声名大震，妇孺皆知。
据《行状》记载，张载在“嘉祐初，见洛阳程伯淳、正叔兄弟于京师，共语道学之要”。说的是，有一天张载拜见在京讲学的二程，即程颢、程颐。程颢（1032年—1085年），字伯淳，为程颐之胞兄，后人称“明道先生”；程颐（1033年—1107年），字正叔，后人称“伊川先生”。兄弟二人为河南洛阳（今河南嵩县程家村）人，出身于书香门第，早年同求学于理学大师周敦颐门下。二人虽然二十六七岁，但已学有所成，自成一家，在洛阳及京师一带，提起程氏兄弟无人不晓。
因张载与二程的父亲为表兄弟，因此，论辈分，张载还是二程的表叔。这种亲戚关系，促使了张载与二程的交往更加亲密，他们共同讨论，相互对答，切磋琢磨，尤其对人性论、道德观、宇宙观和认识论等诸多方面进行了广泛的探讨。
在人性论的认识上，张载创立了“天地之性”和“气质之性”的人性二元学说。他认为，“天地之性”是纯粹至善的，是体现天理的，是人固有的特性；“气质之性”是有善有恶的，清纯不一，是体现人欲的，因此，人要变化气质之性，就要去恶存善，以返回天地之性。对此，二程十分赞同，但在宇宙观的认识上，张载与二程的观点明显出现了分歧。
张载认为“气”为宇宙的最高本体，先有“气”而后有“理”，而二程则认为“理”是宇宙的最高本体，先有“理”而后有“气”。二程尤其不同意张载的唯物主义宇宙观，认为张载之言有失，立论有误。在二程看来，表叔一方面承认“太虚即气”，承认世界是客观存在的，“气”是宇宙的本体，但另一方面又承认“太心体物”“性者万物之一源”，“心性”是宇宙万物的本源，这是“不知性之无内外也，既以内外为二本”（《河南程氏文集》）。二程说，天下只有“理”，“天理”才是宇宙万物的根源和主宰，而由“理”派生的“气”则不能成为宇宙万物的根源和主宰者。
在关于“气”存在的形式及其功能作用方面，张载与二程的探讨更加激烈。张载说：“气不能不聚而为万物，万物不能不散而为太虚。”“聚亦吾体，散亦吾体，形聚为物，形溃返原。”（《正蒙·太和篇》）意思是：气作为宇宙万物的本体，不论是聚为有形，还是散为无形，都是气的不同变化形式，不同存在状态，但气是永恒存在的，永不消失的。
二程反驳说，气是从理中派生出来的，理是永恒常在的；气是不断消灭的，只有永存之理，没有不灭之气。程颐进一步辩解说，气聚时而为万物，物毁时则气散，气散则再无法返回原状。同时，气散之后变为渣滓就没有什么用途了，因此，气是暂时的存在着。气虽不断地产生，但又不断地消灭：“至如海水潮，日出则水涸，是潮退也，其涸者已无也，月出则潮水生也，非却是将已涸水为潮，此是气之终始。”“譬之一片地，始开荒田，则其收谷倍，及其久也，一岁薄于一岁，气亦盛衰故也。”（《河南程氏遗书》卷十五）程颐用潮退水涸、耕地日薄为例，说明物死不能复生、气散不能返原的道理，而用阴阳变化阐释了气是一个有生、有聚、有灭的变迁过程，这与张载所主张的“气无生灭，心无本体”的思想截然不同。在这个问题的辩论上，张载与二程各自有自己的看法，但二程的观点似乎比张载则更能自圆其说。
叔侄三人畅所欲言，各抒己见，他们之间并没有因为辈分差异而丝毫隐瞒自己的观点。经过促膝交谈，张载对二位表侄笃学精思、执着严谨的治学精神钦佩不已。
这次与二程谈论之后，张载深感自己在易学的研究上仍不如二程。因此，第二天他对前来听讲的人说：“比见二程深明易道，吾所弗及，汝辈可师之。”（《宋史·张载传》）意思是说，我通过与二程交流，觉得自己知识还远远不如他们，你们可以拜二程为老师。于是，张载毅然撤去虎皮椅，不再讲《易》。张载虽为二程的表叔，且又长他们十二三岁，但却如此虚怀若谷，宽以待人，足以表明他高尚的品性和学风。正因为张载有如此谦恭勤勉的治学态度，因此，他在学术上“日益久，学益明”（《行状》）。通过不懈的努力，张载逐渐建立了自己气势恢宏、博大精深的关学思想体系，最终成为一代哲学鸿儒，理学大师。
不久，殿试结果既出，张载与吕大均及苏轼兄弟同登金榜，高中进士。
