1972년 10월 03일, 0세 때, 김주혁은 서울특별시 강남구에서 배우 김무생의 둘째 아들로 태어났다.

1991년 00월 00일, 19세 때, 김주혁은 동국대학교 연극영화학과에 들어갔다.

1997년 00월 00일, 25세 때, 김주혁은 동국대학교에서 학사 학위를 받고 학업을 마쳤다.

1997년 00월 00일, 25세 때, 김주혁은 대학을 마친 뒤 연극 무대에서 연기 활동을 시작했다.

1998년 00월 00일, 26세 때, 김주혁은 SBS 주말극장 《흐린 날에 쓴 편지》에서 현당 역을 맡았다.

1999년 00월 00일, 27세 때, 김주혁은 SBS 일요드라마 《카이스트》에 정명환 역으로 출연했다.

2000년 00월 00일, 28세 때, 김주혁은 MBC 주말연속극 《사랑은 아무나 하나》에서 영재 역을 연기했다.

2001년 00월 00일, 29세 때, 김주혁은 영화 《세이 예스》에서 연쇄살인범과 맞서는 남자 정현 역으로 스크린에 처음 섰다.

2002년 00월 00일, 30세 때, 김주혁은 영화 《YMCA 야구단》에서 독립운동가이자 투수인 오대현 역을 맡았다.

2002년 00월 00일, 30세 때, 김주혁은 SBS 주말 특별기획 《라이벌》에서 민태훈 역을 연기했다.

2002년 00월 00일, 30세 때, 김주혁은 SBS 주말극장 《흐르는 강물처럼》에서 김석주 역을 맡았다.

2003년 00월 00일, 31세 때, 김주혁은 영화 《싱글즈》에서 수현 역을 맡아 관객의 눈길을 끌기 시작했다.

2003년 00월 00일, 31세 때, 김주혁은 《흐르는 강물처럼》에서 부부로 호흡을 맞춘 배우 김지수와 교제를 시작했다.

2005년 00월 00일, 33세 때, 김주혁은 아버지 김무생을 여의었다.

2005년 00월 00일, 33세 때, 김주혁은 SBS 주말 특별기획 《프라하의 연인》에서 최상현 역을 맡았다.

2005년 00월 00일, 33세 때, 김주혁은 영화 《광식이 동생 광태》의 유광식 역과 《청연》의 한지혁 역을 연기했다.

2005년 00월 00일, 33세 때, 김주혁은 《프라하의 연인》으로 SBS 연기대상 남자 최우수연기상과 10대 스타상을 받았다.

2006년 00월 00일, 34세 때, 김주혁은 영화 《사랑따윈 필요없어》에서 줄리앙 역을 맡았다.

2008년 00월 00일, 36세 때, 김주혁은 영화 《아내가 결혼했다》에서 노덕훈 역으로 주연을 맡았다.

2008년 00월 00일, 36세 때, 김주혁은 《아내가 결혼했다》로 제29회 청룡영화상에서 손예진과 함께 베스트 커플상을 받았고 남우주연상 후보에도 올랐다.

2008년 00월 00일, 36세 때, 김주혁은 SBS 월화드라마 《떼루아》에서 강태민 역을 연기했다.

2009년 00월 00일, 37세 때, 김주혁은 배우 김지수와 6년간 이어 온 교제를 끝냈다.

2010년 00월 00일, 38세 때, 김주혁은 영화 《방자전》에서 방자 역으로 주연을 맡았다.

2011년 00월 00일, 39세 때, 김주혁은 영화 《적과의 동침》, 《투혼》, 《커플즈》에 잇달아 출연했다.

2011년 11월 13일, 39세 때, 김주혁은 SBS 창사특집 4부작 다큐멘터리 《최후의 바다, 태평양》에 출연했다.

2012년 00월 00일, 40세 때, 김주혁은 MBC 대하사극 《무신》에서 고려 무신 김준 역을 맡았다.

2013년 00월 00일, 41세 때, 김주혁은 아버지 김무생도 연기한 적 있는 어의 허준 역을 MBC 일일사극 《구암 허준》에서 맡았다.

2014년 00월 00일, 42세 때, 김주혁은 《1박 2일》 활동으로 KBS 연예대상 쇼·오락부문 남자 신인상을 받았다.

2015년 00월 00일, 43세 때, 김주혁은 영화 《뷰티 인사이드》에서 우진 역을 맡았다.

2015년 00월 00일, 43세 때, 김주혁은 tvN 《응답하라 1988》에 주인공 성덕선의 성인 시절 남편 역으로 출연했다.

2015년 00월 00일, 43세 때, 김주혁은 KBS 연예대상 버라이어티 부문 최고 엔터테이너상을 받았다.

2015년 12월 06일, 43세 때, 김주혁은 연기 활동에 전념하겠다며 2년간 출연한 《1박 2일》 시즌 3에서 물러났다.

2016년 00월 00일, 44세 때, 김주혁은 영화 《좋아해줘》, 《비밀은 없다》, 《당신자신과 당신의 것》에 출연했다.

2016년 12월 00일, 44세 때, 김주혁은 《당신자신과 당신의 것》에 함께 출연한 배우 이유영과 교제 중임을 인정했다.

2017년 00월 00일, 44세 때, 김주혁은 영화 《공조》에서 차기성 역을 맡아 사실상 처음으로 악역을 연기했다.

2017년 00월 00일, 44세 때, 김주혁은 tvN 월화드라마 《아르곤》에서 김백진 역을 맡았다.

2017년 10월 27일, 45세 때, 김주혁은 《공조》로 제1회 더 서울어워즈 영화부문 남우조연상을 받았다.

2017년 10월 30일, 45세 때, 김주혁은 서울 강남구 삼성동 영동대로에서 몰던 메르세데스-벤츠 G63 AMG 차량이 앞차를 추돌한 뒤 도로 밖으로 돌진해 아파트 벽에 부딪히고 뒤집히는 사고를 당했다. 사고 직후 차량에 불이 붙었다.

2017년 10월 31일, 사후, 김주혁은 부검을 마친 뒤 서울아산병원 장례식장에 빈소가 차려졌다.

2017년 11월 02일, 사후, 김주혁은 동료 배우와 《1박 2일》 출연진이 함께한 발인을 거쳐 충청남도 서산시 대산읍의 가족 봉안당에 안장됐다.

2017년 11월 05일, 사후, 김주혁은 KBS2 《1박 2일》 제작진이 마련한 추모 방송으로 기려졌다.

0000년 00월 00일, 사후, 김주혁은 촬영을 다 마치지 못한 영화 《창궐》 속 배역이 배우 김태우에게 넘어갔다.

2017년 11월 14일, 사후, 김주혁은 국립과학수사연구원 최종 부검에서 사인이 머리 손상으로 판정됐고 심근경색 흔적은 확인되지 않았다. 알코올이나 특이 약물도 검출되지 않았다.

2018년 00월 00일, 사후, 김주혁은 생전에 촬영을 마친 영화 《흥부》와 《독전》이 유작으로 개봉했다.

2018년 00월 00일, 사후, 김주혁은 《독전》으로 제55회 대종상 영화제 남우조연상을 받았고 특별상도 함께 받았다.

2018년 00월 00일, 사후, 김주혁은 제9회 대한민국 대중문화예술상에서 국무총리 표창을 받았다.

2018년 01월 00일, 사후, 김주혁은 사고 차량 감정에서 급발진 같은 결함 흔적이 나오지 않았다. 사고 원인은 끝내 규명되지 않았다.

2018년 11월 23일, 사후, 김주혁은 《독전》으로 제39회 청룡영화상 남우조연상을 받았다. 소속사 나무엑터스의 김석준 상무가 대신 무대에 올랐다.

2019년 00월 00일, 사후, 김주혁은 《독전》으로 제55회 백상예술대상 영화부문 남자 조연상을 받았다.

2026년 10월 30일, 사후, 김주혁은 9주기에 《1박 2일》 시즌 3를 함께 만든 전 KBS 예능 PD 박인석이 오마이뉴스에 실은 회고 글에서 '가장 좋은 사람'으로 기억됐다.