Dès l'âge de 9 ans, ce fils d'acteurs fait ses premiers pas à la télévision dans la série Teresa aux côtés de Salma Hayek. Il enchaîne, trois ans après, avec le soap El Abuelo y yo et participe à plusieurs courts dont De tripas, corazon (1996) nominé pour l'Oscar du Meilleur court métrage, et se produit sur scène avant de débarquer à Londres pour étudier à la Central School of Speech and Drama.

Gael Garcia Bernal s'illustre par la suite dans deux longs métrages mexicains qui le révèlent à un large public : Amours chiennes (2000) de Alejandro González Inárritu, qui concourt pour l'Oscar du Meilleur film étranger et Et... ta mère aussi ! (2001) d'Alfonso Cuaron. Dans ce premier film, il campe le personnage d’Octavio, un adolescent qui décide de s'enfuir avec Susana, la femme de son frère. Pour pouvoir s’échapper il prend le parti d’inscrire son chien à des combats et d’en faire l'instrument qui lui permettra de réunir l'argent nécessaire pour vivre. Garcia Bernal multiplie par la suite les rôles controversés et dérangeants : il se fait remarquer en 2002 pour son rôle de prêtre attiré par une jeune femme dans Le Crime du père Amaro.

Après un détour plus doux par les Etats-Unis, où il tourne la comédie romantique Autour de Lucy (2002) et le drame Attraction fatale (2003), la nouvelle coqueluche du cinéma hispanique crée l'événement en 2004 à Cannes en apparaissant sous les traits du Che, rôle qu'il a déjà tenu dans la mini-série Fidel, dans Carnets de voyage de Walter Salles. Après cette expérience à travers l’Amérique Latine, il atterrit en Espagne pour tourner La Mauvaise éducation sous la direction de Pedro Almodóvar. Il y campe Angel, un travesti manipulateur qui retrouve un de ses amis d’enfance avec lequel il a partagé ses années de collège chez les Jésuites.

L'année suivante, il fait son retour sur la Croisette pour la présentation de The King, un drame de James Marsh où l'acteur incarne un jeune marin à la recherche de son père (William Hurt) devenu pasteur. Un an plus tard, il entre dans l'univers déjanté de Michel Gondry en tenant le rôle principal de La Science des rêves, celui d'un doux rêveur. La même année, il retrouve Alejandro González Inárritu en jouant dans Babel. Il passe pour la première fois derrière la caméra en 2007 en portant sur grand écran une adaptation du projet télévisé Ruta 32 intitulé Déficit. En 2008, le comédien tourne dans Rudo y Cursi, où il interprète le frère de Diego Luna, avant de rejoindre Blindness du brésilien Fernando Meirelles en tant que 'Roi' du dortoir 3.

En 2009, il renoue avec un univers des plus fantasques en jouant le rôle du mexicain dans l’ovni signé Jim Jarmusch, The Limits of Control. Par la suite, il allie les extrêmes, recouvrant tour à tour les traits d’un mari fidèle et débordé par son travail dans une comédie romantique (Letters to Juliet), et ceux d’un homme marié à la dérive aux côtés de Michelle Williams dans Mammoth. Il renoue avec le film social indépendant en 2011 avec Même la pluie d’Icíar Bollaín. Rappelant quelque peu son rôle du Che dans Carnets de voyage, Gael endosse celui de Sebastian, un jeune réalisateur passionné qui fait face à la révolte d’un des figurants de son film qui souhaite privatiser l’accès à l’eau courante sur l’Altiplano bolivien.

Après avoir porté No en 2013, où il incarne un brillant publicitaire anti-Pinochet, l'acteur est choisi pour faire partie du jury du Festival de Cannes 2014. A l'affiche du western Ardor et du drame Eva ne dort pas, Gael Garcia Bernal goûte parallèlement aux joies du petit écran et ses séries de qualité via Mozart in the Jungle dans laquelle il tient le rôle principal, celui d'un jeune prodige de la musique qui rejoint le prestigieux orchestre de New York. Pourchassé par Jeffrey Dean Morgan dans le survival caniculaire Desierto, le comédien côtoie Michael Shannon dans le très mal reçu film de Werner Herzog Salt and Fire, retrouve le biopic et Pablo Larraín pour Neruda puis joue le rôle principal du violent Si tu voyais son coeur.

Tournant à un rythme régulier, Gael García Bernal alterne avec différents types de films, comme l’animation (Coco), le drame (Ema), l'action (The Mother), le biopic (Cassandro), la science-fiction (Another End) et surtout le thriller (Old, Cuban Network, Holland). En parallèle, il est le créateur de la série Aquí en la Tierra et apparaît, toujours côté petite lucarne, dans Station Eleven et La Máquina.

Au delà de son métier d’acteur, Gael García Bernal est producteur et réalisateur. Il a créé avec Diego Luna et le producteur Pablo Cruz la société Canana qui a pour ambition de promouvoir le cinéma mexicain notamment indépendant à la fois dans le pays et à l’étranger.