一九六三年，张涵予出生于陕西省西安市下辖的蓝田县。他在陕西度过了最初的童年时光，大约四五岁之际便随家人迁居北京，此后在部队大院的环境中逐渐成长。早在高中求学阶段，张涵予就已展现出对声音表演的浓厚兴趣与天赋，开始在中国中央电视台的译制片组参与工作，为诸多引进的外国影片担任配音演员。凭借在艺术领域的早期积累与不懈努力，他于一九八四年成功考入中央戏剧学院表演系，接受了系统而专业的表演训练。在张涵予早年的成长历程中，留下了不少珍贵的影像记录，其中包括其童年时期的个人照片以及与亲友的合影，这些影像生动地勾勒出他青涩而真挚的早年面貌。
一九八二年，在八六版《西游记》的配音工作中，张涵予为黄眉大王、朱紫国老太医、有来有去、黄狮精以及刁钻古怪等多个角色献声。次年，即一九八三年，他正式开启了专业配音演员的生涯，陆续为包括（八六版）《西游记》在内的多部动画作品如《西游记》、《特洛伊》、《米老鼠和唐老鸭》、《沉默的羔羊》、《拯救大兵瑞恩》、《指环王》等担任配音。一九九九年，在好友傅彪的引荐之下，张涵予出演了由叶京执导的电视剧《梦开始的地方》，与演员陶虹合作，这成为他个人首部电视剧作品。进入二零零零年，他参演了冯小刚执导的电影《没完没了》，在片中饰演一位协助傅彪讨账的社会人物，这亦是他首次登上大银幕。二零零二年，他于冯小刚电影《大腕》中客串出演了一位精神病院内的IT专家角色。二零零四年，他在电影《天下无贼》中扮演了一名伪装成“E时代画家”的卧底警察。 二零零七年，张涵予迎来了演艺事业的重要转折，他在贺岁档电影《集结号》中首次担纲男主角，该片创下了二点六亿元的票房佳绩。凭借在此片中的出色演绎，他于二零零八年接连荣获第二十九届大众电影百花奖、第四十五届金马奖“最佳男主角”奖以及第十五届北京大学生电影节最佳男演员奖。二零零九年三月，他再获第二届华鼎奖中国影视最佳表现男演员奖；同年六月，他为反人口贩卖行动推出的首部宣传动画《交汇点》配音；九月，他主演了电影《风声》，在片中与李冰冰、周迅两位女演员有大量精彩的对手戏。 二零一一年，张涵予参演了李仁港执导的电影《鸿门宴传奇》，首次尝试武打戏份，饰演谋士张良；同年八月，他主演了电视剧《水浒传》，成功塑造了“及时雨”宋江这一经典形象。二零一三年三月，他零片酬出演管虎执导的电影《厨子戏子痞子》，其所饰演的“戏子”一角表现得疯癫异常，既鬼马精灵又言语犀利，一段痛斥日本侵略者的个人预告片片段令人印象深刻；六月，他加盟电视剧《火线三兄弟》，饰演骁勇善战的军人田大林；十一月，他主演的电影《我爱的是你爱我》上映，在片中与王珞丹演绎了一段年龄相差十八岁的忘年恋情；同年，他还与曾志伟、陈可辛、宁静、海清一同担任了重庆卫视节目《奇迹梦工厂》的导师。 二零一四年十二月二十三日，其主演的电影《智取威虎山》上映，张涵予在片中饰演了深入匪巢的侦察英雄杨子荣。二零一五年，他加盟了张艺谋执导的好莱坞魔幻电影《长城》；同年九月，他与彭于晏、冯文娟联袂主演的警匪动作大片《湄公河行动》于曼谷正式开机；九月十九日，他凭借电影《智取威虎山》荣获第三十届中国电影金鸡奖最佳男主角奖。二零一六年六月，他加盟了吴宇森执导的重拍版电影《追捕》；同年，他为史诗动作冒险影片《奇幻森林》中文版中的主角黑豹巴希拉配音；九月三十日，其主演的警匪动作片《湄公河行动》上映，该片连续多日蝉联单日票房及上座率冠军，被广大观众誉为“国庆档最强势影片”。 二零一七年，他联袂日本演员福山雅治主演了由吴宇森执导的电影《追捕》，饰演主角杜丘；五月十九日，其主演的电影《抢红》在全国范围内公映。二零一八年六月，他参与了海天《熟悉的味道第三季》的录制工作；同年，他主演了取材自四川航空真实备降事件的电影《中国机长》，成功塑造了英雄机长刘长健的形象，影片票房最终突破二十九亿元；十二月二十九日，在中国电影家协会第十届理事会第一次会议上，张涵予当选为中国电影家协会副主席；同年，他还参演了电影《红海行动》。二零一九年十月二十九日，在第三十二届东京国际电影节中国电影周“金鹤奖”颁奖仪式上，张涵予获得最佳男演员奖；同年二月四日，他登上央视春晚舞台，表演了小品《农村好声音》；九月二十八日，他参与的节目《今天是你的生日——庆祝新中国成立70周年优秀国产影片特别推介》正式播出。 二零二零年五月四日，他出演的谍战剧《秋蝉》播出，在剧中扮演中共特工檀香；九月二十八日，确定出演杨枫执导的电影《铁道英雄》，饰演大队长老洪；十月二十五日，由他献声讲述的抗美援朝系列电影《保家卫国——抗美援朝光影纪实》播出。二零二一年七月九日，其主演的由刘伟强执导的抗疫题材电影《中国医生》上映，他饰演了金银潭医院原院长张定宇；九月三十日，上映的抗美援朝电影《长津湖》中，他饰演了中国人民志愿军第九兵团司令、长津湖战役总指挥宋时轮；十一月十九日，其领衔主演的电影《铁道英雄》上映，他再度饰演了大队长老洪一角。 二零二二年一月五日，其主演的犯罪悬疑动作电影《无所畏惧》开机；二月一日，其主演的电影《长津湖之水门桥》上映，截至二月五日二十一时四十五分，该片累计票房已达二十二点三四亿元，助力张涵予个人累计主演电影总票房突破二百亿大关；七月三十一日，其主演的电影《莫斯科行动》正式开机。二零二三年九月二十日，其主演的都市职场剧《流光之下》播出；九月二十九日，其主演的电影《93国际列车大劫案：莫斯科行动》上映，他在片中饰演本领高强的刑警崔振海；十月，由他领衔主演的影片《以父亲之名》正式立项；十一月十七日，其主演的电影《斗破苍穹》于云影院首映。 二零二四年四月二十六日，他出席了第十四届北京国际电影节闭幕式；五月二日，其主演的电影《斗破苍穹3：除恶》在优酷平台播出；十二月十八日，其主演的电影《黑金对决》在珠海举行了开机发布会。二零二五年一月二十九日，其参演的电影《蛟龙行动》上映；四月二十六日，其参演的电视剧《斗破苍穹4：逃亡》播出；八月三十日，其主演的电影《蛟龙行动（特别版）》上映；十一月二十七日，其参演并担任监制的现实主义电影《我的世界没有我》上映；十二月十二日，其参演的电视剧《长安二十四计》播出。
张涵予和妻子是大学同学，妻子也是演员，育有一个女儿。
在影视表演事业之外，演员张涵予投入最多心力的个人爱好便是收藏各类古董，其中他尤为钟情于明清时期的古典家具。自幼成长于历史文化底蕴深厚的北京，他长期浸润在古物环绕的环境里，自然而然地培养出对古代文物的敏锐感知与深厚兴趣。加之他本人性格内敛，不喜过多社交应酬，这份安静独处的性情恰好与他热衷探寻古代文化的志趣相契合，于是逐渐将精力转向古董家具的收藏与研究。张涵予的收藏之旅并非一时兴起，而是源于一种持续的文化情怀与审美追求，这使他在纷繁的演艺工作之外，找到了一片沉淀心灵的天地。此外，张涵予亦曾涉足音乐领域，演唱过《兄弟》，并在多个商业广告中展现其声音魅力，例如为奔驰汽车广告及英纳格手表广告进行配音。在公开的工作照与杂志写真中，他或专注于拍摄现场，或呈现多样化的造型姿态，这些影像记录了他作为演员的专业侧面与个人风采，从严肃的工作瞬间到风格各异的写真照片，均展现出他沉稳而富有表现力的公众形象。
二零零九年八月二十日，一场名为“跨越海峡的爱心”的大型赈灾晚会在北京隆重举行，该晚会旨在集结大陆同胞的力量，援助遭受“莫拉克”台风侵袭的台湾受灾民众。演员张涵予不仅登台表演了节目，更现场慷慨解囊，以实际行动奉献爱心。次年十二月，张涵予现身浙江宁波，与其所代言的手表品牌共同冒雨走访新落成的校园，积极参与慈善公益活动。二零一一年六月二十八日，他出席了“2011年沙棘生态论坛暨水域山沙棘果汁新产品发布会”，在会上向公众发出倡议，呼吁大家支持沙棘生态产业的发展，共同呵护宝贵的生态环境。二零一三年十一月，张涵予亲自前往福利院探望并慰问了那里的孩子们，传递了温暖与关怀。二零一五年四月二十三日，他盛装亮相第五届北京国际电影节的闭幕式现场。二零二五年二月七日，张涵予在电影《蛟龙行动》的军事主题沙龙活动中，特别针对影片中的口琴段落分享了自己的深刻见解，他指出：“其实那个口琴声是战斗的号角”，同时进一步阐释道：“这首《中国海军核潜艇》就是激励全艇指战员重拾信念和信心的战鼓”。同年八月，他再次公开亮相，参与了“上合组织国家优秀影视作品展映周”的相关活动。
2021年12月，当选中国文联第十一届全国委员会委员。
与众多早早便崭露头角的影帝相比，张涵予的演艺之路显得颇为独特，他属于那种“大器晚成”的类型，并且是一位半路出家的演员。尽管他与电影艺术的缘分开始得很早，但张涵予最初并非以表演演员的身份进入这个行业；实际上，他的职业生涯始于1983年，当时他成为了一名专业的配音演员，在幕后用声音塑造了众多角色。而在银幕之下，张涵予同样展现出十足的男人气概，其个人风格鲜明且稳定，无论从哪个角度去观察和品味，他都始终保持着那种有款有型、沉稳硬朗的形象。