1963年，张涵予生于北京 ，在部队大院长大 。读高中时，就到中国中央电视台译制片组给外国影片配音 ，1984年考入中央戏剧学院表演系。
1983年，张涵予成为专业配音演员，先后为《特洛伊》、《米老鼠和唐老鸭》、《沉默的羔羊》、《拯救大兵瑞恩》、《指环王》等电影配音 。
1999年，在好友傅彪介绍下，张涵予出演叶京导演的电视剧《梦开始的地方》，与陶虹合作，这是他的首部电视剧 。2000年，参演冯小刚电影《没完没了》，饰演一个帮傅彪讨账的社会人，这是他出演的首部电影作品；2002年，在冯小刚电影《大腕》中，客串扮演精神病院里的IT专家 。2004年，参演《天下无贼》，扮演一个化装成“E时代画家”的卧底干警 。
2009年3月，获得第二届第二届华鼎中国影视最佳表现男演员奖 ；9月，主演电影《风声》，与李冰冰、周迅两位美女有大量对手戏 。
2011年，参演李仁港电影《鸿门宴传奇》，首次出演武打戏饰演张良 ；8月，在《水浒传》中饰演宋江 。
2013年3月，零片酬出演管虎执导的电影《厨子戏子痞子》，张涵予饰演的“戏子”表现“疯癫异常”，既鬼马又毒舌，一段骂小日本的个人预告是让人跌破眼镜 ；6月，加盟《火线三兄弟》，饰演骁勇善战的“田大林” ；11月，主演电影《我爱的是你爱我》，与王珞丹在片中出演相差18岁的“忘年恋” ；同年，与曾志伟、陈可辛、宁静、海清担任重庆卫视《奇迹梦工厂》的导师 。
2014年12月23日，其主演的电影《智取威虎山》上映，张涵予在电影中饰演“杨子荣”一角。
2015年，加盟张艺谋执导好莱坞魔幻电影《长城》 。9月，与彭于晏、冯文娟主演的警匪动作大片《湄公河行动》在曼谷正式开机 。9月19日，凭借《智取威虎山》获得了第30届中国电影金鸡奖最佳男主角奖 。
2016年6月，加盟吴宇森执导的重拍版《追捕》 。同年，为史诗动作冒险影片《奇幻森林》中文版主角黑豹巴希拉配音 。9月30日，主演的警匪动作片《湄公河行动》上映 ，蝉联单日票房及上座率冠军，被网友称作“国庆档最强势影片” 。
2017年，联袂福山雅治主演吴宇森执导的电影《追捕》，饰演杜丘 。5月19日，主演的电影《抢红》全国上映 。
2018年6月，参与录制海天《熟悉的味道第三季》 。同年，主演取材川航备降事件的电影《中国机长》，饰演英雄机长刘长健，票房破29亿 。12月29日，中国电影家协会第十届理事会第一次会议在京召开，张涵予当选中国电影家协会副主席 。
2019年10月29日，第32届东京国际电影节中国电影周活动在东京闭幕并举行“金鹤奖”颁奖仪式，张涵予获得最佳男演员奖 。
2020年5月4日，出演任嘉伦、李曼主演谍战剧《秋蝉》，在剧中扮演中共特工檀香 ；9月28日，确定出演杨枫执导的电影《铁道英雄》，扮演大队长“老洪” ；10月25日，张涵予献声的讲述抗美援朝的系列电影《保家卫国——抗美援朝光影纪实》播出；
2021年7月9日，主演的由刘伟强执导的抗疫题材电影《中国医生》上映 ，饰演金银潭医院原院长张定宇 ；9月30日，上映的抗美援朝电影《长津湖》中饰演中国人民志愿军第九兵团司令、长津湖战役总指挥宋时轮 ；11月19日，领衔主演的电影《铁道英雄》上映，在片中饰演大队长“老洪” 。
2022年，参演电影《长津湖之水门桥》。
2010年12月，张涵予现身宁波，与其代言的手表品牌一同冒雨走新校园做慈善 。
2011年6月28日，张涵予出席“2011年沙棘生态论坛暨水域山沙棘果汁新产品发布会”，并向公众倡议支持沙棘生态产业，呵护生态环境 。
2013年11月，张涵予慰问福利院小朋友 。
2015年4月23日，张涵予亮相第五届北京国际电影节闭幕式。
张涵予和许多影帝不同，“大器晚成”的他是个半路出家的演员，虽然同电影很早就结缘，但张涵予并不是表演演员出身，而是在1983年开始成为一个专业的配音演员（长江网评） 。
银幕下的张涵予，男人气十足，无论从哪个角度看，他都是有款有型（沈阳日报评） 。
