Era hijo de un soldado del ejército de Chiang Kai-shek. Durante la Revolución Cultural (1966-1978), periodo que coincide con el régimen de Mao Zedong, abandonó sus estudios y se integró en una granjas de trabajo, donde, durante diez años, trabajó como operario textil. Acabada esta etapa, en 1978, con 28 años, retomó sus estudios e ingresó en la Academia de Cine de Pekín, logrando finalmente graduarse en 1982. Tras graduarse, empezó a trabajar como fotógrafo y dibujante. Antes de director fue operador de cámara en la película Tierra amarilla de Chen Kaige (1984). Repitió en este rol, en otra película del mismo director: Da yue bing (en inglés, The Big Parade) de 1986. Debutó como director con Sorgo rojo (1987) y al ganar el Oso de Oro Berlín (1988), pasó a ser mundialmente conocido.
Ya desde su primera película, Zhang pasó a ser uno de los directores chinos con mayor proyección internacional, pues los premios obtenidos en los grandes festivales de cine como Cannes, Venecia y Berlín le abrieron las puertas del mercado de la distribución. En Sorgo rojo, Zhang coincide por primera vez con la que será su primera musa Gong Li, por entonces una actriz debutante. Ambos compartirán una relación más que profesional que concluirá tras La joya de Shangai (1995). Después, en El camino a casa, Zhang encontró a una nueva musa en la joven actriz china Zhang Ziyi. Zhang forma parte de lo que se conoce como Quinta generación del cine chino, que está integrada por aquellos directores que como él (o Wu Tianming, Chen Kaige...) comenzaron su carrera tras la Revolución Cultural a finales de los años 60 del siglo XX.
Su cine se caracteriza por una cuidada y estudiada fotografía, lo que no es de extrañar, pues inició su carrera precisamente como director de fotografía. La figura de la mujer fuerte y decidida domina todo su cine, desde las películas de un contexto íntimo y cotidiano a aquellas donde la épica lo impregna todo. Pese a la repercusión internacional del director, dos de sus películas fueron prohibidas en China: Semilla del crisantemo (1990) y La linterna roja (1991). Su cine, muchas veces alejado de la doctrina oficial del régimen totalitario chino, no siempre ha sido bien aceptado en su país, donde se le han puesto todas las trabas posibles, desde denegarle permiso para realizar viajes de promoción, hasta censurarle guiones.
Además de su faceta como cineasta, Zhang Yimou también ha trabajado en algunos proyectos televisivos y en producciones de ópera. Zhang fue uno de los 30 directores participantes en el documental Lumière y compañía (Lumière et compagnie) (1995). En 2008, Zhang Yimou, junto con el coreógrafo Zhang Jigang, dirigió la Ceremonia de Apertura de los Juegos Olímpicos de Beijing 2008.
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