张光北12岁时参加中央人民广播电台少年合唱团，1976年到中国人民解放军北海舰队服兵役。
1980年考入北京电影学院表演培训班，1982年考入中央戏剧学院表演系。在学校就读期间，被导演谢晋选中在影片《芙蓉镇》里饰演黎满庚一角。
1986年，大学毕业的张光北被分到北京电影制片厂工作。1987年，张光北在历史片《两宫皇太后》中饰演恭亲王奕忻，获百花奖最佳男演员提名。1988年，张光北在电影《弧光》中饰演心理医生柳楷一角，获得中国表演艺术学会学会奖；同年参演电影《哗变》，扮演程唤。1990年，参演电影《天边有一簇圣火》饰演刘清涧。1993年，参演电视剧《三国演义》，饰演吕布一角。
2000年，在电视剧《日出东方》中饰演蒋介石。2002年，参演孙俪、佟大为主演的电视剧《玉观音》，出演边晓军一角。2004年，由张光北担任总制片人的纪念第二次世界大战胜利60周年电视剧《这里的黎明静悄悄》在黑龙江拍摄。2005年，与李幼斌、何政军合作主演电视剧《亮剑》，饰演国民党爱国军人楚云飞。2007年7月，联手李幼斌、何政军出演《亮剑》的原班人马打造的电视剧《仁者无敌》。
2010年，参演贾一平主演的反映豫商传奇的电视剧《经纬天地》，饰演楚陶朱。2013年，主演反映林业发展的电视剧《山里娘们山里汉》，饰演父亲“李松”；12月，与李诚儒联袂主演话剧《王府井》，张光北饰演的佟寿春与李诚儒饰演的王爷的对手戏，这是他的首部话剧作品。
2015年4月，出演电影《三体》中常伟思一角。2016年，出演电视剧《红旗漫卷西风》，在剧中饰演革命导师秦声达。同年，出演电视剧《决战江桥》，在剧中饰演本庄繁。2018年，与邢昭林、菅纫姿、宣璐、徐文浩等合作出演由李小江执导的古装玄幻少年励志养成剧《问天录之少年钟馗》。9月24日参演张铎主演的抗战剧《战天狼》中饰演关震山。
2019年10月15日，由左城右隅出品的都市轻喜剧《好好说话》官方正式官宣了十二位人物海报，同时释出了首款概念海报张光北联袂出演。11月18日，出演的电视剧《心灵法医》播出。2020年2月，加盟湖南卫视推出的原创声音魅力竞演秀《声临其境第三季》。
2021年2月1日，参演的《觉醒年代》在央视一套首播；4月2日，出演网络电影《浴血无名川》定档；6月22日，参演的电视剧《不说再见》播出；7月16日，友情出演的打拐题材正能量电影《天下无拐》全国上映；10月2日，特别出演的抗战电影《生死阻击》在爱奇艺上线。
2021年12月20日，华鼎奖集团在澳门公布了第32届华鼎奖·上汽大众新威然之夜中国百强电视剧满意度调查发布盛典的专家评委会阵容，张光北担任第32届华鼎奖评委。12月31日，加盟江苏卫视《元气森林·江苏卫视2022跨年演唱会》，演唱《谁是最可爱的任》《青春》。
2022年，参演电影《亮剑：决战鬼哭谷》；参演电视剧《山河月明》；4月11日，参演电影《感恩号·大篷车》。
张光北的妻子陈炜与他同是中央戏剧学院的校友，陈炜曾与巩俐、史可、伍宇娟、金莉莉合称中央戏剧学院的“五朵金花”。
张光北演技好，在老版《三国演义》中的吕布和《亮剑》中的楚云飞，都是非常经典的角色，跟他对戏是一种享受（贾一平评价）。
张光北在《芙蓉镇》里饰演黎满庚一角，细腻地刻画出黎满庚胆小懦弱、委曲求全的性格特征，虽然出场不多，但颇为引人注目（沈阳日报评）。