Née dans une famille d'artistes rue de Steinkerque ({{18e}} arrondissement de Paris), Gisèle Casadesus est la fille du compositeur et chef d'orchestre d'origine espagnole Henri Casadesus et de la harpiste Marie-Louise Beetz, d'origine juive et devenue fervente protestante. Elle vit la Première Guerre mondiale en se réfugiant, jeune enfant avec son frère, dans la cave de leur domicile parisien afin d'échapper aux tirs d'artillerie allemande. À 14 ans, elle accompagne son père aux États-Unis pour une longue tournée.
Après un premier prix de comédie au Conservatoire national supérieur d'art dramatique à l'âge de vingt ans, elle entre en 1934 à la Comédie-Française. La même année, elle épouse le comédien Lucien Pascal (de son vrai nom Lucien Probst), avec lequel elle aura quatre enfants : Jean-Claude (1935), Martine (1939), Béatrice (1942) et Dominique (1954), tous artistes.
Elle devient la 400{{e}} sociétaire de la Comédie-Française le {{Date}}, puis sociétaire honoraire le {{Date}}. Elle est sur le paquebot de retour d'une tournée de trois mois en Amérique du Sud avec la Comédie-Française lorsqu'elle apprend le début de la Seconde Guerre mondiale ; son mari est mobilisé.
Au cinéma, Pierre Billon l'engage en 1943 pour le rôle de Clotilde de Grandlieu dans Vautrin d'après Honoré de Balzac aux côtés de Michel Simon et en 1946 pour le rôle de Marie dans L'Homme au chapeau rond aux côtés de Raimu.
Elle quitte la Comédie-Française en 1962, est nommée sociétaire honoraire en 1967 mais revient y jouer en 1980 et pour des lectures en 1990 et en 2011.
En 1971, elle est la comtesse d'Eguzon dans La Belle Aventure, participe au Mouton enragé de Michel Deville, joue le rôle de Nicole Leguen, la femme de Jean Gabin, dans Verdict (1974) d'André Cayatte et la mère de Claude Jade dans Les Robots pensants (1976).
Encore avec Claude Jade, elle est Mamie Rose (1976) dans le téléfilm de Pierre Goutas et Catherine dans Un crime de notre temps (1977) de Gabriel Axel. Claude Lelouch l'engage en 1996 pour le rôle de Clara Blanc, mère de Bernard Tapie, dans Hommes, femmes, mode d'emploi. Dans Aïe (2000), elle est la mère d'André Dussollier. On la retrouve en 2005 dans la comédie de Valérie Lemercier, Palais royal !. Elle est Margueritte (« avec deux t ») aux côtés de Gérard Depardieu dans le film de Jean Becker, La Tête en friche (2010). En 2012, à 98 ans, Gisèle Casadesus tourne sous la direction de Aytl Jensen dans le film Le Jeu de cette famille aux côtés de Michel Galabru et Anna Gaylor.
Son mari, Lucien Pascal, meurt le 12 août 2006, à l'âge de 100 ans{{,}}.
À l'âge de 100 ans, en 2014, elle joue le rôle de Anna Simon, la grand-mère de Aytl Jensen dans le moyen métrage dramatique Plus jamais ça !, aux côtés d'Anna Gaylor.