Zhang Ziyi 1979. február 9-én született a kínai Pekingben. Édesapja Zhang Yuanxiao könyvelő volt, majd közgazdász lett, míg édesanyja Li Zhousheng óvónőként dolgozott. Testvérével, Zhang Zinannal jó testvéri viszonyt ápolnak.
Zhang 8 éves korában táncot kezdett el tanulni, majd ezt követően - szülei javaslatára - csatlakozott a Beijing Dance Academy diákjaihoz. 15 éves korában megnyerte az országos ifjúsági bajnokságot, ezt követően elkezdett reklámokban szerepelni Hongkongban. 1996-ban belépett Kína neves Central Academy of Drama nevű dráma iskolájába; mindössze 17 éves volt ekkor.
Két évvel később felajánlották neki élete első filmszerepét Az út haza című filmben, amely 1999-ben jelent meg, s amely Ezüst Medve-díjat nyert a Berlini Nemzetközi Filmfesztiválon. Ugyanebben az évben Hundred Flowers Awards-cal tüntették ki az előbbi film kapcsán.
Következő szerepe a Tigris és sárkány című filmben találta meg. A szerepe kívánta szöveg mellett az ősi kínai harcművészet egyes elemeit is el kellett sajátítania. Első amerikai filmje a 2001-es Csúcsformában 2. volt. A film főszerepében Jackie Chant és Chris Tuckert láthattuk.
2004-ben két filmjét is bemutatták a Cannes-i Nemzetközi Filmfesztiválon. A 2007-es TMNT - Tini nindzsa teknőcök című animációs filmben hangját kölcsönözte Karai karakterének. 2009-ben szerepelt Az apokalipszis lovasaiban, majd a Veszedelmes viszonyok (2012) című kínai filmben láthattuk. Ezt követte a The Crossing című dráma.
Zhang Ziyi boldog házasságban él; 2015-ben ment feleségül Wang Feng zenészhez.