一九七二年十二月二十日，张垒在中国新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市出生。他的中学阶段是在乌鲁木齐市第一中学度过的。在中学就读期间，中央戏剧学院的老师来到学校进行选拔，计划招收为新疆话剧团培养的代培生，张垒凭借自身条件顺利入选，并最终于一九九五年成功考入了中央戏剧学院，就读于舞台表演系。一九九九年，张垒从中央戏剧学院舞台表演系完成学业正式毕业，随后被分配至中国青年艺术剧院工作。二零零一年，随着所在单位的体制改革，他随原单位一同并入新成立的中国国家话剧院。在剧院工作期间，张垒不仅作为一名演员参与演出，还曾以独立话剧制作人的身份投身于剧目创作与制作，先后参与了包括《仲夏夜之梦》、《第十二夜》在内的多部话剧作品的制作工作。
二零零二年，演员张垒正式开启了他的影视演艺生涯，其首部亮相的电视作品是《中国轨道》，他在其中成功塑造了孙伟这一角色。到了二零零三年，他担纲主演了由导演王岳伦执导的电视剧《人人都说我爱你》，在剧中他诠释了路岛这一重要人物；同年，他还参演了由孙红雷、石兆琪领衔主演的犯罪题材剧集《征服》，并饰演了王凯一角；同年十一月二十日，一部由胡军、刘烨、李嘉欣等主演的爱情剧《画魂》与观众见面，张垒在该剧中出演了陈笃之这一角色。二零零四年十月一日，由陆川执导的电影《可可西里》在中国大陆公映，张垒在片中扮演了一位伪装成记者以深入调查藏羚羊盗猎事件的警察尕玉，这部影片也成为了他个人电影作品的开端。二零零五年，张垒参与了爱情剧《一言为定》的演出，在剧中他饰演了名为莫名的角色；同年十月十八日，他主演的中国首部聚焦傈僳族生活风貌的剧情片《怒江魂》正式上映，他在该片中生动演绎了李启这一人物。紧接着的次年，张垒的演艺工作持续展开，他先后出演了犯罪剧《狙击》、一部古装背景的爱情剧《阿有正传》以及一部悬疑犯罪题材的剧集《道可道》，进一步拓宽了他的表演领域。
在2007年，张垒的演艺事业迎来了一个多产且表现丰富的阶段。他首先在悬疑犯罪剧《深瞳》中担纲主演，成功塑造了江沪生这一角色，其细腻的表演获得了观众的关注。同年，他继续主演了电视剧《捍卫》，在剧中饰演了性格鲜明的杜杰，进一步展现了其角色的多样性。也在这一年，张垒参与了反腐倡廉题材剧集《黑白人生》的拍摄，他所饰演的刑警李斌良，以其正直坚毅的形象深入人心。到了7月27日，由他主演的谍战剧《保密局的枪声》正式播出，张垒在剧中精彩演绎了潜伏在保密局的特务刘啸尘，其复杂的内心戏份给观众留下了深刻印象。紧接着在8月15日，抗战题材剧集《记忆之城》播出，该剧由谢君豪、童蕾等演员领衔，张垒在剧中饰演了周冠杰一角，为这部作品增添了重要的戏剧张力。 进入2008年，张垒的活跃表现仍在继续。3月29日，电视剧《胭脂雪》播出，该剧汇集了霍建华、刘雪华等知名演员，张垒在其中饰演了裘贵三。随后在4月27日，他参演的都市励志剧《生命有明天》与观众见面，他在剧中化身为医生赵子晨，展现了一个专业而富有责任感的形象。时间来到2009年，张垒在抗日传奇剧《杀虎口》中挑战了伪军首领钱佳皓这一反面角色，其精湛的演技让这个人物显得格外立体。同年4月14日，由焦恩俊、周扬等人主演的古装神话剧《宝莲灯前传》开播，张垒在剧中饰演了巴特尔，其古装扮相和表演获得了认可。 2010年，张垒持续在多部重要剧集中贡献精彩表演。9月27日，他主演的抗战剧《地雷战传奇之锄奸行动》开播，剧中他饰演的“反一号”刘振堂，与赵小栋（黑子饰）所饰演角色之间错综复杂的兄弟情仇，情节曲折动人，令无数观众感慨万分。随后在11月7日，年代商战剧《新安家族》播出，张垒在剧中饰演了程天送，再次证明了他驾驭不同时代背景角色的能力。次年，即2011年6月18日，电视剧《刀锋乱世情》播出，他在剧中饰演了华扬生一角。 2013年2月13日，张垒主演的古装武侠剧《南少林荡倭英豪》与观众见面，他在剧中饰演了林家镖局的大少爷林展翔，其侠义形象颇为突出。2014年，张垒在刑侦题材领域有了更深入的探索。9月22日，刑侦剧《势不两立》开播，他在剧中饰演了游走于大毒枭与犯罪人之间的卧底警察马子龙，角色的危险与挣扎被他演绎得淋漓尽致。同年10月22日，他主演的另一部刑侦剧《中国刑警803》播出，张垒在剧中饰演了803刑警队队长陈雷，塑造了一个果敢睿智的刑警领导者形象。到了2015年1月10日，由王茜、刘钧领衔主演的医疗行业剧《急诊室故事》开播，张垒在剧中饰演了汪晓寒医生，为其丰富的角色画廊再添一个专业的行业形象。
二零一六年七月三十一日，一部刑侦悬疑题材的电视剧《谜砂》于东方卫视正式与观众见面，演员张垒在该剧中扮演了缉毒刑警队B组组长戴文星这一重要角色；同年十月二十日，一部充满民国风情的悬疑影片《老九门番外之二月花开》登陆荧屏，张垒在片中化身为神秘人物神宫未来，展现了其多样化的表演风格；到了十二月十二日，由张垒与闫学晶联袂主演的都市情感剧《和妈妈一起谈恋爱》温情开播，他在剧中成功塑造了张大哲这一充满故事性的角色。时间进入二零一七年，五月十三日，张垒主演的刑侦剧《中国刑警803英雄本色》在上海新闻综合频道播出，他饰演的刑警队长陈雷果敢坚毅，给观众留下了深刻印象；同年七月十日，其参演的网剧《双世宠妃》在腾讯视频平台上线，张垒在剧中挑战了皇上的威严形象；紧接着在七月二十三日，他参演的电影《大梦西游3女儿国奇遇记》登陆院线，片中他饰演了充满神话色彩的北冥鲲老一角。二零一八年二月四日，一部由龚琳娜同名歌曲改编而成的电影《法海你不懂爱》上映，张垒在片中饰演了性格鲜明的蛤蟆精高城；九月二十一日，首部以《诗经》为核心内容的电影《关关雎鸠》与观众见面，张垒担纲主演，饰演了庄孟辰这一关键人物；同年十月二十二日，其参演的古装爱情剧《双世宠妃II》于腾讯视频播出，他再次饰演了皇上角色；十二月三日，一部抗战题材电视剧《音乐会》播出，张垒在剧中生动演绎了东北抗日联军第十一军司令秋雨豪的英雄气概。二零一九年三月二十八日，网络剧《暗黑者3》上线，张垒在剧中饰演了孔辉；五月二十五日，其参演的电影《豹子头林冲》上映，他饰演了历史人物宋徽宗赵佶；十月十四日，另一部古装爱情剧《明月照我心》播出，张垒所饰演的皇帝角色因其精湛的演绎而获得了观众广泛的赞誉。二零二零年二月八日，由张嘉译、张延、柴鸥等众多实力派演员主演的商战传奇剧《云飞丝路天》播出，张垒在剧中饰演了性格强悍的“悍夫”伍彪；六月八日，其参演的古装武侠剧《少年游之一寸相思》亮相，他饰演了云荡七侠之一的商晚；九月十六日，悬疑剧《沉默的真相》在爱奇艺平台播出，张垒在剧中饰演了胡一浪；十二月十三日，一部法治题材剧集《巡回检察组》播出，他在片中饰演了派出所所长盛罗平，进一步拓宽了其表演的戏路。
在2021年4月13日，由张垒参与演出的现代军旅题材电视剧《号手就位》正式与观众见面，他在剧中生动塑造了王金瀛这一角色；随后在5月15日，张垒又加盟了重大革命历史题材剧集《中流击水》的演出，并在剧中精彩诠释了著名学者胡适的形象。同年6月1日，其参演的一部古装爱情剧《双世宠妃Ⅲ》于腾讯视频平台上线播出，张垒在剧中饰演了墨元隆一角；紧接着在6月25日，张垒出演的电影作品《完美受害人》登陆院线，他在片中扮演了关父这一重要角色。到了7月26日，另一部由张垒参与演出的古装爱情喜剧《玉楼春》在优酷平台播出，他在剧中饰演了宰相孙逊，展现了其驾驭不同风格角色的能力。2021年8月12日，悬疑剧《双镜》于哔哩哔哩平台播出，张垒在剧中饰演了周云沛；随后在9月16日，一部古装奇幻爱情轻喜剧《公子倾城》播出，张垒在剧中饰演了皇帝一角；紧接着在9月22日播出的网剧《国子监来了个女弟子》中，他饰演了官家。同年11月6日，张垒主演的年代剧《铸匠》播出，他在剧中饰演了梁银丰；11月8日，其主演的古装情感大剧《当家主母》在爱奇艺、腾讯视频、优酷三大平台同步全网首播，张垒在剧中饰演了知府曹文彬，其表演获得了观众的关注。 进入2022年，张垒的演艺事业继续保持活跃。1月16日，其参演的古装奇幻剧《镜·双城》播出，他在剧中饰演承光王；2月14日，参演的爱情电影《不要忘记我爱你》上映，张垒在片中饰演张医生；2月22日，参演的古装励志美食剧《尚食》播出，他饰演了内阁学士杨士奇；4月7日，张垒客串出演的古装美食剧《珍馐记》在哔哩哔哩播出，他在剧中饰演关一刀；8月1日，由陈数、杜淳主演的都市情感剧《第二次拥抱》播出，张垒在剧中饰演张群；11月22日，张垒主演的网络电影《亮剑之英雄虎胆》上映，他在该片中饰演了楚云飞一角。 2023年，张垒参与了多部不同类型作品的拍摄。3月12日，其特别出演的电影《亮剑之血债血偿》上映，他再次饰演了楚云飞；3月21日，参演的民国传奇剧《步云衢》在优酷平台播出，张垒在剧中饰演军阀吴大帅；5月20日，张垒特别主演的非遗文化都市剧《正好遇见你》播出，他在剧中饰演顾彦明；6月5日，参演的古装剧《微雨燕双飞》在优酷视频播出，张垒在剧中饰演宰相吴朗；6月21日，参演的热血成长励志剧《雪鹰领主》在腾讯视频播出，他在剧中饰演白源之；7月5日，参演的古装轻喜剧《四方馆》正式开机，张垒在剧中饰演康云海；8月10日，张垒参演的电视剧《七时吉祥》播出，他在剧中饰演陈国皇帝李琰。10月13日，主演的古装女性成长疗愈剧《为有暗香来》在优酷视频播出，张垒在剧中饰演华文昂；11月21日，由靳东、祖峰、张雨绮、刘冠麟领衔主演的跨国界现实主义燃情剧《欢迎来到麦乐村》播出，张垒在片中饰演李墨；11月28日，张垒主演的古装传奇电视剧《一念关山》播出，他在剧中饰演相国章崧。 2024年，张垒的演出作品持续亮相。2月6日，其参演的年代情感群像剧《南来北往》于CCTV-8电视剧频道及爱奇艺平台同步播出，张垒饰演宋朝华一角。4月22日，参演的电视剧《春色寄情人》播出。6月2日，参演的电视剧《墨雨云间》播出。7月5日，参演的电视剧《音乐会》播出。8月23日，参演的电视剧《四方馆》播出。 展望2025年，张垒已有多部作品排播待映。1月25日，参演电视剧《五福临门》播出；2月14日，参演的电视剧《漫城》播出。4月12日，其特别出演的电视剧《无忧渡》播出。5月15日，参演的网剧《茗门世家》首次发布了预告片花。6月6日，主演的电视剧《临江仙》播出。6月25日，参演的电视剧《桃花映江山》播出。6月26日，参演的电视剧《书卷一梦》播出。7月9日，参演的网剧《二重赋格》播出。在秋季，其作品也将密集上线：9月30日，参演的电视剧《沉默的荣耀》播出；10月9日，参演的电视剧《宴遇永安》播出；10月24日，参演的电视剧《水龙吟》播出。至年末，12月17日，参演的短剧《唐诡奇谭》播出；12月29日，参演的电视剧《玉茗茶骨》也为该年的演出活动画上句号。
在电视剧《势不两立》中，张垒凭借其精湛的演技，成功塑造了卧底警察马子龙这一深入人心的角色，成为广大网友交口称赞的荧幕形象。他所演绎的马子龙不仅机智果敢、行动力十足，更带有一种难以言喻的神秘色彩，其亦正亦邪、复杂多面的气质令观众深感捉摸不透，从而留下了极为深刻的印象。而在另一部作品电视剧《明月照我心》中，张垒则转型饰演了一位帝王，他将君临天下的威严气度与体察民情、深明大义的内心世界都把握得恰到好处，这一富有层次感的表演赢得了观众与评论界的一致好评。近年来，始终致力于突破自我、不愿被单一角色类型所束缚的张垒，不断尝试拓宽戏路，积极挑战各类差异显著的人物与题材领域。无论是在网络剧《双世宠妃》，还是在网络大电影《老九门番外之二月花开》与《大梦西游3女儿国奇遇记》中，他都倾注心血，塑造出多个性格鲜明、独具魅力的经典角色，这些作品及其角色也因其独特的演绎而吸引了大量年轻网友的关注与热议。