Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh sinh ngày 15/5/1957, quê quán xã Quảng Thắng, huyện Quảng Điền, tỉnh Thừa Thiên - Huế. Ông là con trai của cố Đại tướng Nguyễn Chí Thanh - nguyên Ủy viên Bộ Chính trị, nguyên Chủ nhiệm Tổng cục Chính trị Quân đội nhân dân Việt Nam.
Gắn bó và trưởng thành trong ngành tình báo quốc phòng nhiều năm, ông được bổ nhiệm làm Phó Tổng cục trưởng Tổng cục 2 (Bộ Quốc phòng) vào năm 1998 và Tổng cục trưởng Tổng cục 2 vào năm 2002.
Năm 2009, ông giữ chức vụ Thứ trưởng Bộ Quốc phòng và là Ủy viên Trung ương Đảng Khóa XI, Khóa XII.
Quá trình công tác, ông được thăng quân hàm Thiếu tướng vào năm 1999; thăng quân hàm Trung tướng năm 2004 và thăng quân hàm Thượng tướng năm 2011.