Elève au cours Florent (dans la classe libre en 1992), à l'atelier de Joséphine Derenne, et plus tard à l'Ecole Nationale Supérieure des Arts et Techniques du Théâtre (ENSATT), Gregori Derangère, vu en 1993 dans Un air de liberté, téléfilm réalisé par Eric Barbier dans le cadre de la série d'Arte "Les Années lycée", fait sa première apparition au cinéma en 1996 dans Anna Oz de Rochant. A l'affiche en 2000 de 30 ans, le portrait de groupe mélancolique de Laurent Perrin, il obtient une nomination au César du Meilleur espoir en 2002 pour sa composition de gueule cassée dans La Chambre des officiers de Francois Dupeyron.

En 2003, le visage de Gregori Derangère devient plus familier du grand public grâce à Bon voyage de Rappeneau, dans lequel il partage la vedette avec Isabelle Adjani et Virginie Ledoyen. Sa composition d'écrivain pris dans la tourmente de la guerre lui vaut le César du Meilleur espoir masculin en 2004.

A la fois candide et séducteur, Gregori Derangère est l'homme par qui le scandale arrive, aussi bien en gardien de phare dans L'Equipier, mélodrame de Philippe Lioret en 2004 qu'en commis de ferme dans Le Passager de l'été. Dans ce dernier, il donne la réplique à Laura Smet, qu'il retrouvera six ans plus tard dans le thriller Insoupçonnable. Enchaînant les films d'époque, le comédien, dont le tempérament fougueux lui vaut d'être parfois comparé à James Stewart ou Cary Grant, campe de nouveau un soldat de la Grande Guerre dans Les Fragments d'Antonin (2006). Il revient à l'histoire contemporaine pour être confronté à des actes terroristes aussi bien sur le petit écran dans la série Reporters que sur le grand dans L' Assaut de Julien Leclercq.