Grégori Derangère naît à Montpellier où ses parents finissent leurs études de médecine. Il passe son enfance à Moscou puis en Guyane française puis revient dans la banlieue parisienne.
À 21 ans, il suit des cours d'art dramatique au célèbre Cours Florent de Paris avec pour professeur l'actrice Joséphine Derenne. En 1995, il intègre l'École nationale supérieure des arts et techniques du théâtre (ENSATT) de Lyon.
À 25 ans en 1996, il tourne son premier film au cinéma avec Charlotte Gainsbourg et Gérard Lanvin dans Anna Oz d'Éric Rochant. En 1999, il décroche son premier beau rôle de cinéma qui lance sa carrière dans 30 ans de Laurent Perrin, où il joue avec Arielle Dombasle, Julie Depardieu, Laurent Lucas et Anne Brochet.
Aux Césars 2002, à 31 ans, il est nommé au César du meilleur espoir masculin pour son rôle de gueule cassée de la Première Guerre mondiale dans le film La Chambre des officiers de François Dupeyron, où il joue avec Sabine Azéma, Éric Caravaca, Jean-Michel Portal et André Dussollier, entre autres.
En 2003, il joue un premier rôle, Frédéric Auger, un écrivain pris dans la tourmente de la Seconde Guerre mondiale dans Bon Voyage de Jean-Paul Rappeneau, où il donne la réplique à Isabelle Adjani, Virginie Ledoyen, Gérard Depardieu, Yvan Attal, etc. Il obtient pour ce rôle le césar du meilleur espoir masculin en 2004{{,}}.
Grégori est ambassadeur de la Fondation Nicolas-Hulot pour la nature et l'homme.