脱烈海牙，畏吾族人，先祖世代居住于别失拔里地方。太祖西征时，其曾祖阔华八撒术开导其国王归顺太祖。祖父八剌术将全家迁居真定，官至帅府镇抚。父名..里赤，为人正派，知书达理。
脱烈海牙自幼好学，机敏绝人，禀性沉着，不急不躁，好与文学之士交游，而不好犬马声色之娱。他由中书宣使出为宁晋主簿，后改任隆平县达鲁花赤。在任隆平县达鲁花赤期间，均赋税，兴学校，劝勉农业，平息诉讼，建桥梁，防水患，储粮备荒等，无一不办。任满离职后，百姓刻石碑记述其政绩。后任监察御史时，江西胡参政杀其弟，此案久不能决，脱烈海牙一审，胡参政服罪。出任佥燕南道肃政廉访司事，在任六年，革除贪官污吏一百四十人。任满回京，任户部郎中，转任右司员外郎，再转为右司郎中。每任一职都尽力出谋划策。
仁宗在东宫知脱烈海牙好学，将宫中珍藏的经书及圣贤图像赐给他，当时人们认为这是莫大荣耀。母霍氏卒，他辞官服丧，朝廷赐钞五万贯办理丧事。后起用为吏部尚书，对官吏量能升降，都认为他处置公平。改任礼部尚书，管领会同馆事。晋升为中奉大夫、荆湖北道宣慰使，在任期间，赈济当地贫寒人民。虽先行后奏，朝廷也认为他做得应该。
至治三年(1323)，调任淮东宣慰使。七月，病逝于广陵，年六十七岁。赠通奉大夫、河南江北等处行中书省参知政事、护军，追封恒山郡公。