Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh quê ở huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa Thiên Huế. Ông là con trai của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh, nguyên Chủ nhiệm Tổng cục Chính trị Quân đội Nhân dân Việt Nam.
Trưởng thành qua nhiều cương vị công tác trong ngành tình báo quốc phòng, tháng 11/1999, ông được bổ nhiệm giữ chức vụ Phó Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng khi mang quân hàm Đại tá.
Tháng 6/2000, ông được bổ nhiệm giữ chức vụ Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng. Tháng 2/2002, ông được thăng quân hàm Thiếu tướng. Đến tháng 12/2004, ông được thăng quân hàm Trung tướng.
Tháng 3/2009, Trung tướng Nguyễn Chí Vịnh được bổ nhiệm giữ chức vụ Thứ trưởng Bộ Quốc phòng kiêm Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng. Tháng 10/2009, ông bảo vệ thành công luận án tiến sĩ chuyên ngành luật.
Từ cuối năm 2009, ông thôi kiêm nhiệm chức vụ Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng để toàn tâm, toàn ý thực hiện trọng trách Thứ trưởng Bộ Quốc phòng phụ trách đối ngoại.
Tại Đại hội Đại biểu toàn quốc lần thứ XI của Đảng tháng 1/2011, Trung tướng Nguyễn Chí Vịnh, Thứ trưởng Bộ Quốc phòng được bầu vào Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam. Đại hội XI cũng chính là đại hội đầu tiên có văn kiện đề cập trực tiếp đến công tác đối ngoại quốc phòng.
Tháng 10/2013, Tiến sĩ Nguyễn Chí Vịnh được Hội đồng Chức danh Giáo sư nhà nước công nhận học hàm Giáo sư chuyên ngành khoa học quân sự.
Tháng 12/2013, ông được thăng quân hàm Thượng tướng.
Tháng 1/2016, tại Đại hội Đại biểu toàn quốc lần thứ XII của Đảng, ông tái đắc cử ủy viên Ban Chấp hành Trung ương Đảng Cộng sản Việt Nam khóa XII.
Tháng 4/2016, ông được Bộ Chính trị chỉ định tham gia Thường vụ Quân ủy Trung ương.
Ngày 20/2/2017, Thủ tướng Chính phủ đã bổ nhiệm lại Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh giữ chức vụ Thứ trưởng Bộ Quốc phòng.
Tháng 12/2021, Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh được nghỉ công tác sau khi đã hoàn thành mọi nhiệm vụ chức trách của một người quân nhân đã cống hiến hết mình cho Quân đội, cho đất nước.
Trong 12 năm làm Thứ trưởng Quốc phòng, ông Vịnh có nhiều đóng góp thúc đẩy đối ngoại quốc phòng Việt Nam phát triển như cử lực lượng tham gia gìn giữ hòa bình Liên Hợp quốc; tổ chức các chuỗi hội nghị quốc phòng - quân sự ASEAN... Ông từng nói công thức đối ngoại thành công nhất là khi cả hai bên cùng thắng. Nếu chỉ nghĩ đến lợi ích của mình thì sẽ thất bại, nhưng nếu không bảo vệ lợi ích của mình thì sẽ có hại cho đất nước.
Ghi nhận công lao đóng góp của Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh, Đảng và Nhà nước đã trao tặng cho ông nhiều phần thưởng cao quý: Huân chương Quân công hạng nhất, nhì, ba; Huân chương Chiến công hạng nhất, nhì, ba; Huân chương Độc lập hạng nhất; Huy hiệu 40 năm tuổi Đảng.
Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh cũng được trao tặng: Huân chương Bảo vệ Tổ quốc hạng nhất của Campuchia; Huân chương Hoàng gia Sahametrei cấp Mohaséreivath (Đại thập tự) của Campuchia; Huân chương Hữu nghị của Liên bang Nga; Huân chương Antonio Maceo của Nhà nước Cộng hòa Cuba.
Tháng 5/2023, ông Nguyễn Chí Vịnh được chính phủ Nhật Bản trao Huân chương Mặt trời mọc Tia sáng vàng và Ruy băng cổ, vinh danh những đóng góp của ông cho quan hệ hợp tác quốc phòng hai nước.