Figlio di attori, Gael nasce nel 1978 a Guadalajara, in Messico. La sua carriera comincia nell'89, quando undicenne partecipa alle riprese di una serie TV di nome 'Teresa'.
Nel '92 raggiunge la notorietà in America Latina con un'altra serie TV, 'Abuelo y yo, El' che gli frutta una prima piccola parte in un film. Nel 1996 è Martìn in "De tripas, corazon", pellicola mai distribuita in Italia. Internazionale invece è "Amores Perros" di Alejandro Gonzalez Innaritu, film del 2000 che lo lancia sugli schermi di tutto il mondo.
Nel 2001 è protagonista, insieme a Diego Luna (suo intimo amico), del film di Alfonso Cuaròn "Y tu mama tambien", nel quale Gael è Julio Zapata, un ragazzo che in un viaggio occasionale capirà meglio il mondo, il dolore e la sua sessualità di adolescente. Con questo ruolo vince il premio Mastroianni a Venezia 2001. Ancora sconosciuto Gael Garcia Bernal viene lanciato definitivamente nel mondo del cinema.
Nel 2002 ritorna sul grande schermo con "Il crimine di Padre Amaro", storia di un giovane prete innamorato. In "Nessuna notizia da Dio" è un boxer a cui vengono inviati due angeli dal cielo ( Penelope Cruz e Victoria Abril) che si contenderanno la sua anima in bilico tra bene e male.
Pedro Almodovar lo vuole per il film presentato fuori concorso al Festival di Cannes "La mala educacion" in un triplice ruolo: quello dell'ambiguo Ignacio, quello di Juan in arte Angèl e quello di Zahara, un trans di infinito fascino e grande sensibilità.
Walter Salles invece lo chiama per girare "I diari della motocicletta" in cui interpreta Ernesto Che Guevara. Questo film è stato presentato in concorso al 57° Festival di Cannes, ed ha ottenuto due Nomination agli Oscar 2005.
Ha fatto parte del cast di "The King" di James Marsh, nel film di Alejandro Iñárritu "Babel" (2006) e nella pellicola sentimentale "L'arte del sogno" (2006) accanto a Charlotte Gainsbourg.
Di recente ha girato "Il Passato" (2007) e ha lavorato alla pellicola "Blindness" (2008).
Ha realizzato insieme ad altri 7 registi la pellicola "8" (2008), presentata alla III edizione del Festival di Roma.