张垒1972年12月出生于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，就读于乌鲁木齐市第一中学，刚毕业时，在三里屯开过一阵子酒吧，经常有导演和演员去光顾，慢慢的开始接触了演员这行业。1995年考入中戏舞台美术系，1999年毕业于中央戏剧学院舞台美术系，毕业后分配到中国青年艺术剧院，现改制为中国国家话剧团。担任独立话剧制作人 。
2002年，在李雪键主演的战争剧《中国轨道》中饰孙伟。2003年7月，出演了陆川执导的讲述藏羚羊迁徙与成长故事的《可可西里》，也是他的首部电影作品 。2004年6月，加盟了我国第一部反映傈僳族生活题材的影片《怒江魂》的演出。2006年1月，与谢君豪领衔主演了反特题材作品《保密局的枪声》 。
2007年1月，参演以反腐倡廉为主题的《黑白人生》，诠释了山阳县公安局代理局长 ；9月，在李光洁主演的红色抗日作品《杀虎口》中饰伪军首领钱佳皓 ；10月，主演翰韬执导的都市励志剧《生命有明天》 ；同年，与石兆琪合作主演了改编自日本推理漫画《金田一少年之事件簿》的《深瞳》，扮演警察老江 。
2008年2月，与张延、张嘉译领衔主演了年代商业戏《大商道》；9月，主演了讲述徽商钱庄传奇经历商战戏《新安家族》 。2009年10月，主演了红色抗战剧《地雷战传奇之锄奸行动》，诠释了大反派刘振堂一角 。
2011年7月，主演了由高峰、于鹏联合执导的我国第一部以《诗经》内容为题材的电影《关关雎鸠》，扮演画家庄孟辰 ；9月，参加了武侠战争剧《南少林荡倭英豪》的演出，扮演林家镖局大少爷林展翔 ；随后，在谷诗阳执导的民国抗战剧《刀锋乱世情》中饰华阳生。
2012年4月，主演了刑警题材作品《势不两立》，在剧中饰演卧底马子龙 。2013年5月，与董维嘉合演了刑侦题材悬疑剧《中国刑警803》，扮演刑侦总队的队长陈雷；12月，在王茜、刘钧领衔主演的医疗行业剧《急诊室故事》中饰汪晓寒 。2016年7月31日，与赵子琪、李宗翰共同出演刑侦剧《谜砂》播出。12月12日，主演都市情感剧《和妈妈一起谈恋爱》播出，在剧中饰演张大哲 。
2017年5月13月，主演刑侦剧《中国刑警803英雄本色》播出，在剧中饰演身材高大、目光坚定。803刑警队队长陈雷。
2018年12月3日，主演抗战剧《音乐会》播出，在剧中饰演东北抗日联军第十一军司令秋雨豪 。
2019年3月28日，与郭京飞、李倩共同出演《暗黑者3》播出。10月14日，与方逸伦、凌美仕主演国风爱情剧《明月照我心》播出，在剧中饰演着忧国忧民、明辨是非的皇帝 。
2020年2月8日，与张嘉译，张延主演年代商战剧《云飞丝路天》上星播出 。年6月8日，与张耀、张雅钦共同出演古装武侠剧《少年游之一寸相思》播出。9月16日，与廖凡、白宇共同出演现代悬疑剧《沉默的真相》播出，在剧中饰演心狠手辣、作恶多端的集团头目胡一浪 。
刚一出道就凭借着深邃的眼神和张弛有度的表演，收到众多知名导演的邀约。近年来，渴望突破自我的他，勇于挑战各种领域，尝试不同角色，期待他未来在大银幕上创造更多的精彩角色 。张垒独树一帜的表演风格给各类角色增添了很多不一样的色彩 。在《地雷战传奇之锄奸行动》中，他把反派人物诠释的惟妙惟肖，时而“温善亲和”时而“阴险可怕”，形象鲜活饱满 。《明月照我心》播出以来，由张垒的饰演的皇帝凭借着忧国忧民、明辨是非的人物性格，以及可圈可点的沉稳演技，收获了一众好评 。（搜狐网、新浪网、北青网评）
张垒的写真中。画面中的他，微卷发的造型，沧桑的胡茬，眼神坚定神态深邃，举手投足之间都透露出时间磨砺后的成熟优雅。时尚的造型搭配沉稳的气质，碰撞出的强烈风格让人过目难忘 。（北青网评）