Le père de Gael, José Angel Garcia, est réalisateur. Sa mère, Patricia Bernal, est actrice et top modèle. Elle se remarie vite avec Sergio Yazbek. Gael joue déjà à la télévision à un an. Adolescent, sa matière préférée est la chimie. Quand il a 14 ans, il apprend notamment à lire à des analphabètes mexicains.
Dès l'âge de 11 ans, cet {{citation}} se fait réellement connaître dans la série Teresa aux côtés de Salma Hayek. Il enchaîne trois ans après avec le soap El Abuelo y yo. Il participe à plusieurs courts-métrages dont De tripas, corazón (1996) qui fut nommé à l'Oscar du meilleur court métrage. Il fait également du théâtre avant de débarquer seul à Londres à l'âge de 17 ans où il étudie à la Central School of Speech and Drama.
Il décroche des rôles qui vont véritablement le révéler à un large public dans deux longs-métrages mexicains : Amours chiennes (Amores Perros) (2000) d'Alejandro González Iñárritu, « nommé » pour l'Oscar du meilleur film en langue étrangère et Et... ta mère aussi ! (Y tu mamá también) (2001) d'Alfonso Cuarón. Il enchaîne avec Le Crime du père Amaro (El crimen del padre Amaro), film controversé dans lequel il joue le rôle d'un prêtre attiré par une jeune femme.
Il tourne également aux États-Unis. Il participe à la comédie romantique Autour de Lucy (I'm with Lucy) et au drame Attraction fatale (Dot the I), une histoire de manipulation.
En 2004, il crée un double événement au Festival de Cannes en représentant deux films sur la Croisette. Le premier est Carnets de voyage (Diarios de motocicleta) de Walter Salles, où il incarne le jeune Ernesto Guevara de la Serna, avant qu'il ne devienne Che Guevara, rôle qu'il avait déjà tenu dans la mini-série Fidel. Le second, La Mauvaise Éducation (La mala educación) de Pedro Almodóvar, présenté en ouverture, le voit assurer un triple rôle (un frère mythomane, un frère revanchard, et un homo mal dans sa peau). Almodovar se confiera quelques années plus tard sur le comportement de l'acteur au cours du tournage, en le qualifiant de « vraiment affreux ». Refusant régulièrement de se maquiller et de se voir en travesti - ce qui lui causait, selon Almodovar, des accès de panique -, rechignant à exécuter les scènes d'intimité physique avec les autres acteurs, l'acteur poussa le réalisateur à réécrire le scénario en cours de tournage. Almodovar qualifiera ces frictions comme l'une des pires expériences, sinon la pire, de sa carrière{{,}}{{,}}.
En 2006, il retrouve Alejandro González Iñárritu pour le film Babel qui met notamment en vedette Brad Pitt et Cate Blanchett. Il joue également dans La Science des rêves de Michel Gondry où il tourne tant en français qu'en anglais. Ces deux films, ainsi que quelques précédents, montrent l'intérêt que peut porter Gael García Bernal pour le cinéma d'auteur à vocation internationale.
En 2007, il présente Ambulantes, une tournée de documentaires présentée par les mexicains Gael García et Diego Luna et leur maison de production Canana Films. En parallèle, il est membre du jury à la {{57e}} Berlinale.
En 2009, il devient, avec sa compagne {{Lien}}, père d'un petit Lazaro, né le 8 janvier.
En 2010, il tourne un spot publicitaire avec la marque Nike, où il interprète le joueur portugais Cristiano Ronaldo. La même année, il préside le jury de la Caméra d'or au {{63e}} Festival de Cannes.
Le 7 avril 2011, il devient papa une seconde fois, d'une petite Libertad.
Le 14 août 2012, il reçoit le trophée {{citation}} pour l'ensemble de sa carrière au Festival de Locarno.
En 2013, il joue le rôle d'un publicitaire anti-Pinochet dans No, du réalisateur chilien Pablo Larraín.
En mai 2014, il est membre du jury au {{67e}} Festival de Cannes, présidé par la réalisatrice néo-zélandaise Jane Campion, aux côtés des actrices Carole Bouquet, Leila Hatami et Jeon Do-yeon ; de l'acteur Willem Dafoe et des réalisateurs Sofia Coppola, Nicolas Winding Refn et Jia Zhangke.