張孝全出生于臺灣省，他高中就讀于臺北縣私立復興高級商工職業學校美工科；在校期間，他被星探發現，而拍起了電視廣告，并成為了一名模特 ?。

　　之后，張孝全被導演易智言發掘，并被選為其執導電影《藍色大門》的男主角，但由于電影延期一年多拍攝，最終原定由張孝全飾演的角色被陳柏霖所頂替 ?。

　　2001年，與徐懷鈺、唐治平合作主演愛情偶像劇《尋找MR.Right》，在劇中飾演男主角王克明，這是他的首部電視劇作品，從而正式進入演藝圈 ?；同年，與竇智孔，王宇婕，潘慧如合作主演都市情感劇《百分百女孩》，在劇中飾演擁有精湛泳技的家仁。

　　2002年，與施易男、林依晨、許瑋倫合作主演青春偶像劇《18歲的約定》，在劇中飾演個性怪異且經常翹課的高中生朱可風 ?；同年，與陳建州、楊千霈、小嫻合作主演愛情偶像劇《紫色角落》，在劇中飾演自幼父母離異、經常一個人泡網吧的李安達 ?。

　　2003年，與陳司翰、陳怡蓉、關穎合作主演青春偶像劇《又見橘花香》，在劇中飾演溫柔體貼且桃花劫不斷的駱紀東；同年，與武田真治、關穎、張毓晨合作主演劇情電影《給我一只貓》；之后，與范植偉、金勤、柯俊雄合作主演年代情感劇《孽子》，在劇中飾演沉靜害羞、憨厚寡言的吳敏 ?。

　　2004年，與李威、楊丞琳合作主演愛情偶像劇《極速傳說》，在劇中飾演賽車手Mars，與楊丞琳飾演一對兄妹 ?；同年，與安以軒合作主演時裝劇《火線任務》，在劇中飾演身為消防員的男主角苗子守 ?。

　　2006年，與張睿家、楊淇合作主演愛情電影《盛夏光年》，在片中飾演陽光俊朗、調皮搗蛋的男主角余守恒 ?；同年，與賴雅妍、吳震亞合作主演劇情電影《拍賣世界的角落》，在片中飾演男主角保羅 ?。

　　2007年，與郭碧婷合作主演純愛推理電影《沉睡的青春》，在片中飾演沉默寡言且患有精神分裂癥的男主角陳柏宇 ?；同年，憑借電影《盛夏光年》獲得“第7屆華語電影傳媒大獎”最佳新演員獎的提名。

　　2008年，與徐熙媛、彭于晏、東明相合作主演愛情倫理電影《愛的發聲練習》，在片中飾演只想以金錢換取性愛的中年男子小古 ?；同年，與蔡淑臻合作主演勵志喜劇電影《練·戀·舞》，在片中飾演充滿熱情、不按常理出牌的男主角劉必然 ?。

　　2009年，出演楊凡執導的劇情電影《淚王子》，在片中飾演溫柔體貼且有使命感的男主角孫漢生，這是他首次在影視作品中嘗試父親的角色 ?。

　　2010年，與郭淑賢合作主演劇情電影《煮持人》，在片中飾演精通廚藝的男主角Jeff Tay；同年，出演陳駿霖執導的愛情喜劇電影《一頁臺北》，在片中飾演殺氣中帶有淺淺憂郁的警察基永 ?。

　　2011年，與楊丞琳、王傳一、許瑋甯合作主演愛情偶像劇《醉后決定愛上你》，在劇中飾演帥氣多金且才華橫溢的男主角宋杰修 ?；同年，與鄭愷、謝坤達、王傳君合作主演科幻網絡劇《烏托邦辦公室》，在劇中飾演特立獨行且本性頑劣略帶邪氣的科學奇才秦然 ?；之后，獲得“第46屆臺灣電視金鐘獎”戲劇節目男主角獎的提名。

　　2012年，與桂綸鎂、張書豪、鳳小岳合作主演愛情電影《女朋友·男朋友》，在片中飾演體貼、善良的男主角陳忠良；同年7月21日，憑借電影《女朋友·男朋友》獲得“第14屆臺北電影節”最佳男演員獎 ?；同年10月，獲得“第49屆臺灣電影金馬獎”最佳男主角獎的提名 ?；同年12月，入圍“第55屆亞太影展”最佳男主角獎 ?。

　　2013年，與白百何、范瑋琪合作主演愛情電影《被偷走的那五年》，在片中飾演口才了得且懂的調情的男主角謝宇 ?；同年，出演鐘孟宏執導的驚悚懸疑電影《失魂》，在片中飾演在日式料理店工作的男主角阿川 ?。

　　2014年，與劉詩詩、三浦春馬合作主演懸疑愛情電影《深夜前的五分鐘》，在片中飾演女主角如玫的前男友天倫 ?；同年，出演張艾嘉執導的劇情電影《念念》，在片中飾演身為拳擊手的男主角阿翔 ?。

　　2015年，出演劉國楠執導的愛情喜劇電影《合約男女》（原名《婚前合約》），在片中飾演身為快遞員的男主角肖博 ?；同年，與古天樂、余文樂、佟麗婭合作主演警匪動作電影《謎城》，在片中飾演冷酷無情、被全城通緝的黑幫頭目張黑 ?。

　　2016年，與吳彥祖、張若昀、張靜初合作主懸疑動作電影《沖天火》，在片中飾演自幼喪父、被小珍父親收養的貨車司機家家 ?。