엄격한 공무원 가정에서 자랐으며, 중학생 때 연기를 접하고 연기를 결심했다. 영화와 드라마 오디션을 많이 보았으나 떨어졌으며, 100kg에 육박하는 거구였으나 체중 감량에 성공했다.[1] 이후 뮤지컬 배우로 전향하여 《그리스》, 《김종욱 찾기》, 《쓰릴 미》등의 여러 작품들을 통해 흥행 배우로 거듭났다. 《드라마시티》를 통하여 브라운관에 데뷔하였으며, 《별순검 시즌 1》을 거쳐 《일지매》에서 매력적인 악역인 시완 역으로 인지도를 높였다. 뮤지컬과 브라운관을 넘나들며 다양한 모습을 보여 주고 있다. 그러나 생계 곤란을 이유로 2010년에 군 면제를 받은 사실이 2012년에 알려져 병역 논란을 크게 겪은 뒤, 그 해 10월 9일 306보충대에 입소, 현역으로 자진 입대하여 군 복무를 마치고 2014년 7월 8일에 제대했다.[2] 입대 후 소속사 프레인 측에서는 인천경기지방병무청의 행정 착오라는 주장을 하며 입영 취소 소송을 제기했으나, 재판부에서는 "원고가 본인의 재산 및 가족의 직업, 수입 등을 사실과 다르게 보고한 것은 병역 기피로 해석될 수 있다" 라는 판결을 내려 패소했다.[3] 그와는 별도로 당국에서 그의 병역기피 시도가 있었는지도 조사했으나 아무런 문제는 없었던 것으로 밝혀졌으며, 행정 처리를 했던 담당 공무원의 착오로 그를 제2국민역으로 처리했던 것만 드러났다. 입대 후 2012년 12월 국방홍보지원대에 최종 합격, 연예사병으로 발탁돼 위문 공연을 비롯해 각종 방송 및 영상 제작 등에 투입됐다. 군 제작 뮤지컬인 《더 프라미스》에 이특, 지현우와 함께 출연했다.[4] 그러나 연예병사로 복무하던 도중 김무열은 연루되지 않았지만 세븐, KCM, 상추 등이 불미스러운 일에 연관된 사건으로 연예병사 제도가 폐지되었고, 전방부대 재배치 방침에 따라 강원도인제군으로 복무지를 옮겨 잔여 기간 동안 복무하였다.
2015년 4월 4일 오랫동안 교제해 온 배우 윤승아와 결혼하였다.[5]
