張柏芝於1980年5月24日出生於香港，其父張仁勇是上海人，其母則是中英混血兒。她母親嫁給父親張仁勇前曾經有過一段婚姻，育有一女，婚後又為張仁勇生有一女兩子，張柏芝有兩個弟弟。
張柏芝9歲時，父母離婚，張柏芝在13歲時隨母親前往澳洲墨爾本就讀中學，其後就讀於當地的Camberwell Girls Grammar School學校。
1998年，剛從澳洲高中畢業回港的張柏芝被星探挖掘，接拍了陽光檸檬茶廣告，開始了她的演藝生涯。
1998年，出演周星馳的《喜劇之王》，飾演柳飄飄，成為香港票房年度冠軍，成績達2984萬港幣港元。此後，張柏芝接拍了由嘉禾電影公司出品，馬楚成執導的愛情文藝片《星願》並擔任女主角，與任賢齊及蘇永康合力演出。
唱片方面，張柏芝於1999年6月正式簽約環球唱片公司，而首張個人EP《任何天氣》於1999年7月26日推出後反應極之熱烈，發行後便取得白金銷量的成績。
張柏芝剛出道不久，便接拍周星馳執導的電影《喜劇之王》，在電影的初次演出引起廣泛好評，之後的愛情文藝電影《星願》又為她大放異彩，更為她帶來金像獎新人獎，她又趁勢出唱片，歌影兩雙棲發展，之後主力拍電影。
2001年張柏芝首度進軍國際，接拍韓國電影《白蘭》，該片不但為她帶來大鐘獎最佳女主角提名，在韓國知名度大增。
2004年張柏芝先後憑《大佬》及《忘不了》兩部電影橫掃香港各大電影頒獎禮女主角獎項，《忘不了》一片更為她帶來首個金像獎影后榮銜。
2006年張柏芝更應邀為香港星光大道打手印，成為被表揚的電影工作者之一，也是香港星光大道目前為止，獲邀打手印的演員中最年輕的一位。同年，張柏芝宣佈告別樂壇。
2010年10月，她接拍黃百鳴的電影《最強囍事》，合作演員有甄子丹、劉嘉玲、古天樂與熊黛林，此片成為她復出的首部電影。之後，張柏芝也加入了馬楚成導演的《極速天使》進行客串演出。
張柏芝的個人生活和感情經驗也是媒體和公眾關注的焦點。她曾經與謝霆鋒、陳曉東等多名男星有過戀情，其中最引人注目的是她與謝霆鋒的婚姻。兩人於2006年在菲律賓結婚，育有兩個兒子。
2008年，陳冠希的艷照門事件爆發，張柏芝也是其中的受害者之一，對她的形象和心理造成了巨大的打擊。 2012年，張柏芝和謝霆鋒正式宣布離婚，結束了他們六年多的婚姻。
張柏芝離婚後，一直專注於照顧自己的兩個兒子，也沒有再公開戀情。直到2018年11月，她突然宣布生下了第三個兒子。這消息引起了轟動，許多人質疑她的做法和動機，也有人為她祝福和支持。
張柏芝是個有著輝煌成就和艱辛經歷的女星，卻憑藉著自己的努力和才華，在娛樂圈闖出了一片天空。她曾經遭遇過婚姻危機、事業低谷等挫折，但是她沒有放棄自己的夢想和信念，始終保持著積極樂觀的態度和勇敢堅強的精神。她是一位值得人敬佩的女演員。