Ông sinh ngày 15/5/1959 tại Hà Nội, nhưng lý lịch chính thức ghi sinh năm 1957 vì ông từng khai thêm 2 tuổi để đủ tuổi được nhập ngũ.
Tướng Nguyễn Chí Vịnh quê ở Thừa Thiên Huế; GS.TS chuyên ngành quan hệ quốc tế; Ủy viên Trung ương Đảng khóa 11 và 12.
Ông là con trai của Đại tướng Nguyễn Chí Thanh - cố chủ nhiệm Tổng cục Chính trị Quân đội Nhân dân Việt Nam.
Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh. Ảnh: Giang Huy
Tháng 8/1983, Nguyễn Chí Vịnh tốt nghiệp Trường Sĩ quan Chỉ huy Kỹ thuật Thông tin, nay là Trường Đại học Thông tin liên lạc, với quân hàm Trung úy. Là con của cán bộ cấp cao, được đặc cách gửi sang học tập tại Liên Xô nhưng ông từ chối, xin đi chiến trường Campuchia. Trung úy Nguyễn Chí Vịnh được điều về Đoàn 817, đơn vị tình báo trực tiếp thực hiện nhiệm vụ tại chiến trường Campuchia.
Trưởng thành qua nhiều cương vị công tác trong ngành tình báo quốc phòng, tháng 11/1999, ông được bổ nhiệm làm Phó tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng, sau đó giữ chức Tổng cục trưởng Tình báo Quốc phòng.
Tháng 3/2009, Trung tướng Nguyễn Chí Vịnh được bổ nhiệm giữ chức vụ Thứ trưởng Quốc phòng kiêm Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng.
Từ cuối năm 2009, ông thôi kiêm nhiệm chức vụ Tổng cục trưởng Tổng cục Tình báo Quốc phòng để toàn tâm thực hiện trọng trách Thứ trưởng Quốc phòng phụ trách đối ngoại khi Quân đội nhân dân Việt Nam dần trở thành một mũi chủ công trong thế trận bảo vệ Tổ quốc trong thời bình bằng biện pháp hòa bình.
Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh là người đầu tiên phát biểu công khai về chính sách quốc phòng "3 không" của Việt Nam vào năm 2010 (không liên minh, liên kết; không đi với nước này chống nước kia; không cho bất cứ nước nào đặt căn cứ quân sự ở Việt Nam). Ông đã tham mưu với Quân ủy Trung ương, Bộ Quốc phòng xây dựng, đưa Cảng Quốc tế Cam Ranh vào hoạt động, trở thành biểu tượng cụ thể về chính sách quốc phòng "4 không" hiện nay của Việt Nam (không liên minh quân sự, không đi theo nước này chống nước kia, không cho nước ngoài đặt căn cứ quân sự ở Việt Nam để chống lại nước khác và không dùng vũ lực, đe dọa hòa bình trong quan hệ quốc tế).
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.
Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh (lúc sinh thời) nói về đối ngoại quốc phòng. Video: M21
Hiểu sâu sắc tầm quan trọng của quan hệ với các nước láng giềng có chung biên giới, tướng Vịnh đã tham mưu để Bộ Quốc phòng Việt Nam và Bộ Quốc phòng Trung Quốc tổ chức thành công Giao lưu hữu nghị quốc phòng biên giới lần đầu tiên ở cấp Thứ trưởng Quốc phòng vào tháng 3/2014. Sau đó, cơ chế hợp tác này được nâng lên cấp Bộ trưởng Quốc phòng và diễn ra hằng năm, tạo đột phá trong quan hệ quốc phòng Việt Nam - Trung Quốc nói riêng và quan hệ giữa hai nước nói chung.
Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh thường xuyên lên tiếng về những vấn đề gai góc. Ông nhiều lần khẳng định, các nước lớn phải tôn trọng luật chơi của ASEAN và không nước nào có thể buộc Việt Nam chọn bên.
"Không ai và không nước nào có thể bắt Việt Nam phải chọn bên vì chúng tôi độc lập, tự chủ, giành và giữ độc lập bằng sức của mình", ông Vịnh trả lời VnExpress tháng 9/2020.
Ông khẳng định "Không một ai ở đất nước này có suy nghĩ rời bỏ hoặc nhân nhượng về chủ quyền, đặc biệt là những nhà lãnh đạo. Nếu để mất Biển Đông thì quân đội Việt Nam, các nhà lãnh đạo sẽ có tội với đất nước. Trong quân đội, từ trên xuống dưới, đều coi Biển Đông là sống còn. Chủ quyền lãnh thổ là điều chúng ta tuyệt đối không bao giờ buông tay".
Thượng tướng Nguyễn Chí Vịnh từng chia sẻ "chưa dám nhận mình là Tướng, mà chỉ là người được mang quân hàm Tướng".
Tháng 12/2021, ông được nghỉ hưu sau hơn 40 năm công tác trong quân đội. 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; Huân chương Mặt trời mọc của Nhật Bản.