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隨著 林柏榕 第一任市長 林柏榕 施政引起爭議。1985年，張子源捲土重來爭取[[國民黨]]第十屆台中市長候選人提名，對上爭取市長連任的[[林柏榕]]。為了爭取[[國民黨]]提名，張子源曾拜託曾任國民黨黨工的[[邱家洪]]為其撰寫有假分析的「選情報告」。{{r|打|page=292-294}} 最後張子源擊敗林柏榕獲得國民黨提名，並在國民黨全力支持下，在[[1985年中華民國縣市長選舉|市長選舉]]中以148701票擊敗[[許榮淑]]以及加入[[青年黨]]的[[曾文坡]]當選市長。

張子源在市長任內，於1987年封閉[[中西區]]破舊的[[第一市場]]，進行改建[[第一廣場]]計畫。{{r|暗|page=177-178}} 並完成美化[[綠川]]計畫，使綠川兩岸清新。{{r|暗|page=187}} 也不畏當地包括國民黨老兵在內的違建戶抗爭，於1987年強勢執行[[柳川]]下游（民權路至民生路段）違建的拆遷。{{r|暗|page=188-197}} 並成功向[[內政部]]爭取了「台中市都市計畫通盤檢討案」，籌辦第八期市地籌畫（[[南屯區]]）。

然而在第一市場拆建案當中，張子源一度遭檢舉引起[[監察院]]調查，{{r|暗|page=179}} 最後在張氏申辯後監察院以無事結案。{{r|暗|page=180}} 而第八期市地籌畫中，卻在1988年6月爆發張子源被指利用市地籌畫炒地皮的事件，一度引起張子源與刊載此事的雜誌社《地方事》針鋒相對，影響張子源仕途。

1989年第十一屆市長選舉前夕，國民黨中央透過組工會主任[[關中 (中華民國)|關中]]親赴台中，要求張子源宣布退選、辭職，由中央另謀出路 。{{r|打|page=309}}1989 。1989 年7月16日，張子源公開宣布無意角逐連任，出任經濟部[[國營事業委員會]]副主委，並辭去市長職務。一度遭到在場支持者抗議，為此國民黨省黨部主委[[馬鎮方]]還上台宣稱張子源是因「表現優異」，遭中央「調升」為國營會副主委試圖平息眾怒。{{r|打|page=310}} 而台中市長一職則由省府委員[[黃鏡峰]]代理。