1990年毕业于合肥十三中，1991年考入南京军区政治部前线话剧团，1999年7月毕业于解放军艺术学院戏剧系，2004年12月任军区政治部文工团话剧队副队长，2010年6月任队长，2011年12月任文工团副团长。

1993年，与侯勇、韩为民共同拍摄首部军事题材作品《黑水洋》（又名《华东剿匪记》），饰李向。同年，拍摄古典名著剧《三言两拍》，饰演单元《一着绕天下》男一号周国能和单元《相会出师表》男一号沈襄。

2000年，拍摄由高曙光、王姬主演的都市情感剧《情感阴谋》，诠释秦韬光这一角色。同年，拍摄描写机场改革建设的现代剧《别再让女人流泪》饰演高文儒。

2001年，与何赛飞共同拍摄都市剧《与羊共舞》，饰余国强；随后，在冯新民执导的历史题材作品《平民大总统》中饰袁克定，袁世凯的长子，与马少骅、谭非翎共同合作。同年，拍摄都市情感悬疑剧《月色撩人》饰演反一号叶宗平，并拍摄电视系列剧《女子刑事档案》，饰演单元《网络凶杀》的男一号韩影。

2002年，在郑方南、石伟共同执导的当代军人题材的作品《DA师》当中饰桂平原，与王志文、许晴有对手戏；随后，与李莉莉合作，拍摄以当代公安英雄事迹为原型的电视系列剧《中国刑警之城市英雄》，饰演单元《智擒毒枭》的男一号杨宏。同年，在陈应岐执导的悬疑都市剧《我心永远》中，扮演郝光；然后，与吴秀波、郭涛合作拍摄了以六个故事为主线的公安题材推理剧《立案侦查》，饰秦大月。

2003年，拍摄了郑方南执导的我国第一部反映军事医学专家成长经历的军事剧《追日》，扮演肖建；随后，与何政军、李强合作，拍摄侦探悬疑类作品《命运配方》，饰费含。同年，拍摄与孙海英、周韵合作的《西藏警察》（又名《黑色通道》）饰演梁寒。

2004年1月，拍摄了李辉执导的围绕“三农”问题，关注民生困苦为主题的《美丽的中国结》（又名《执政为民》），诠释了男一号副市长邵宜民；随后，主演了由小说《山村复仇记》改编，集反特、剿匪和悬疑于一体的《桂北剿匪记》，在剧中诠释了男一号区长王群。同年，拍摄由同名网络小说改编的电视剧《第一次的亲密接触》饰演杨过。

2005年9月，与严晓频、赵琳拍摄了都市情感剧《花开有声》，饰男一号残疾人刘通州。同年，拍摄都市情感剧《终极玄机》（原名《爱情从天而降》）饰演杨德民。

2006年，拍摄刘和平编剧、张黎导演的历史题材电视剧《大明王朝1566》饰演裕王。同年，拍摄红色经典剧《霓虹灯下的哨兵》饰演指导员路华 ；年末，拍摄描写三峡大移民的电视剧《国家行动》饰演男一号县长林虎。

2007年7月，拍摄当代农村题材电视剧《男人脊梁女人背》饰演男一号李水旺。10月，拍摄轻喜剧《下一站阳光》饰演男一号张刚。12月，拍摄郑方南执导，反映上世纪六十年代成昆铁路建设的电视剧《铁血》主演吴双。

2008年6月，拍摄张黎执导的电视剧《人间正道是沧桑》饰演穆震方。10月，与陈宝国拍摄电视剧《勇者无敌》饰演王晓农。

2009年2月，与陈宝国、潘虹拍摄建国六十周年献礼剧《决战南京》饰演男一号梁一桐，该剧于2010年4月开始登陆央视和多家卫视播出，郭广平凭借在剧中的出色表演和精湛演技受到广大观众喜爱，并获得第23届电视剧金星奖最佳演员奖。8月，拍摄刘猛编剧并执导的抗战题材电视剧《特战先锋》，饰演堪称特战队智囊和精神导师，外号“书生”的郑月枫。同年客串电视剧《红色摇篮》饰演毛泽覃。

2010年3月，拍摄了以湖南和平起义真实历史事件为背景的《黎明前的暗战》，扮演中共地下党周里；5月，拍摄了描写大学生村官工作、创业、感情生活的作品《潮人》，扮演男一号村官杜水泉；7月，拍摄了贾刚执导的建党九十周年献礼剧《粟裕大将》，出演男一号粟裕；11月，与薛佳凝、郭涛合作，主演郑方南执导的主旋律战争剧《弹孔》（原名《带弹孔的勋章》），郭广平在其中饰演一位潜伏在敌人特工总部的斯文却刚毅的地下党员宋英杰。

2011年4月，拍摄了真实历史故事改编而成的《幻影》（原名《蝶·变》），郭广平在剧中饰演反一号黎征农；8月，主演了抗战题材作品《边城破晓》，扮演男一号，在酉阳潜伏的我党小组负责人“周渝”；10月，拍摄了陈力执导的军旅题材电视剧《青春燃烧的岁月》，郭广平在剧中饰演琼崖纵队政委柯伟豪。

2012年5月，与郭涛、梅婷共同主演了年代情感剧《父母爱情》，扮演了安杰的哥哥安泰；10月，拍摄了欧阳奋强执导的年代谍战剧《反击》（原名《最后一个冬天》），饰男一号，地下党员代号“磐石”的叶宇飞。12月，拍摄《冷暖人生》开年大戏《那一年遇见你》（又名《只是当时已惘然》），饰演高富帅钟明。

2013年3月，主演了中国第一代领袖集体时代风云的电视剧《领袖》，塑造了周恩来这一形象。同年拍摄吴京自导自演的3D动作战争电影《战狼》，客串饰演冷锋父亲一角。

2014年3月，拍摄战争题材电视剧《赤焰》饰演男一号常龙。 该剧于2015年6月登陆上海东方电影频道首播。

2015年初，拍摄由乡村法官为切入点的喜剧《小镇大法官》 （原名《中国式法庭》），颠覆形象饰演小人物高大宽，接地气的表演备受期待。5月，主演大型话剧《小平小道》，并凭借邓小平一角获得第27届中国戏剧梅花奖。6月，拍摄谍战传奇剧《双刺》。8月，拍摄根据王鸣隆同名小说改编的电视连续剧《平湖暗流》主演李荣武。10月，拍摄反贪巨制电影《第一大案》，主演刘青山。12月16日，作为嘉宾出席了第三届金丹若国际微电影节。

2016年1月，拍摄纪念长征胜利80周年的重大革命历史题材电视剧《淬火成钢》，继《领袖》之后，第二度领衔主演周恩来。参演电视连续剧《绝命后卫师》。同年，拍摄近代题材电视剧《热血军旗》，三度饰演周恩来。

2017年拍摄电影《又是一春梨花白》，在影片中饰演老爷。同年在电视剧《谍海追踪》中饰演李厅长。在电视剧《沧海丝路》中饰演许云帆 。在电视剧《右玉和她的县委书记们》中饰演右玉县第十二任县委书记邱少基。

2018年主演主旋律电影《樵夫·廖俊波》饰演廖俊波，该片以全国优秀县委书记廖俊波为原型，生动还原了这位当代英模人物的真实质感和朴实情感 。同年，在电视剧《大江大河》中饰演莫老师。在电视剧《小欢喜》中饰演校长。

2019年在电视剧《一诺无悔》中再次出演廖俊波。“我爱你中国——国家广播电视总局优秀电视剧百日展播活动”启动仪式8月25日在青岛举行。86部剧目将参加此次展播活动，其中包括电视剧《一诺无悔》。在启动仪式上，电视剧《一诺无悔》的主演郭广平和傅淼带来了节目《走近廖俊波》。

2019年7月，与林江国、缪婷茹等合作主演的革命历史剧《可爱的中国》播出。

2020年4月3日，领衔主演电视剧《一诺无悔》将于在央视一套黄金时段开播。