Sau khi lên ngôi, Nguyễn Phúc Thuần đã phong Trương Phúc Loan giữ chức vụ gì
Năm 1967, ông được phong quân hàm Đại tá và cử giữ chức vụ Phó Tổng tham mưu trưởng Quân đội nhân dân Việt Nam. Ông giữ chức vụ này trong 20 năm cho đến khi về hưu vào năm 1987.