Grégory Gadebois débute sa carrière de comédien sur les planches en suivant des cours au Conservatoire National Supérieur d'Art Dramatique. Il réussit ensuite à intégrer la Comédie Française à partir de 2006. Dès le début des années 2000, Gadebois est attiré par le septième art. Il décroche quelques seconds rôles qui lui permettent de faire partie du grand écran. Sa première apparition se fait en 2001 avec le film de Jérôme Bonnell, Le Chignon d'Olga. Il interprète deux ans plus tard le personnage d'un policier dans La Blessure de Nicolas Klotz. À partir de ce film, l'acteur devient sollicité pour les films policiers et particulièrement pour les rôles de flics ou de chefs. On le retrouve par exemple, en 2005, dans le film d'Yves Angelo, Les Ames grises, ou dans la peau d'un policier de nuit dans L'Ecole pour tous (2006) d'Eric Rochant.

Ses multiples rôles dans l'univers théâtral le préparent pour ses prestations historiques dans le cinéma. L'acteur apparaît, en effet, dans des films comme D'Artagnan et les trois mousquetaires (2005) de Pierre Aknine, dans lequel il joue le rôle de Porthos, aux côtés d'Emmanuelle Béart et Vincent Elbaz, ou encore dans le téléfilm Cyrano de Bergerac (TV) où il interprète Ragueneau. L'acteur enchaîne en 2008 avec deux films policiers : Go Fast d'Olivier Van Hoofstadt et MR 73 d'Olivier Marchal. Il change ensuite de tonalité avec un rôle dans une comédie de Jean-Michel Ribes intitulée Musée haut, musée bas (id.), dans laquelle il partage l'écran avec un brillant quatuor composé de Michel Blanc, Victoria Abril, Pierre Arditi et Josiane Balasko.

En 2010, Gadebois retrouve son rôle d'autoritaire en interprétant le chef de service dans Une exécution ordinaire de Marc Dugain, puis apparaît la même année dans le biopic musical de Joann Sfar, Gainsbourg - (vie héroïque), où il joue Phyphy. Un an plus tard, la réalisatrice française Alix Delaporte le met à l'affiche de son premier long métrage Angèle et Tony. Grégory Gadebois y joue Tony le marin, en donnant la réplique à Clotilde Hesme. Cette prestation de premier rang lui vaut le César 2012 du Meilleur espoir masculin.

À ses collaborations avec des réalisateurs français, vient s'ajouter en 2012, une nouvelle expérience avec le réalisateur polonais Pawel Pawlikowski, qui lui propose de jouer avec Kristin Scott Thomas et Ethan Hawke dans son thriller La Femme du Vème. La même année, l'acteur retrouve le genre historique avec Les Adieux à la reine de Benoît Jacquot où il est comte de Provence. Il apparaît, également en 2012, dans le drame de Frédéric Videau, A moi seule, avant de collaborer avec Denis Ménochet et Vanessa Paradis dans Je me suis fait tout petit, une comédie romantique de Cecilia Rouaud où il tient le rôle du proviseur. Cette même année, il est récompensé du César du meilleur espoir masculin pour son interprétation dans Angèle et Tony.

Se centrant principalement sur des films d'auteurs, traitant souvent de problématiques très humaines, Grégory Gadebois donne la réplique à Lubna Azabal dans Goodbye Morocco, campe un musicien de black metal dans Pop Redemption et joue le personnage principal du troublant Mon âme par toi guérie de François Dupeyron. A l'affiche de projets singuliers, il poursuit avec Le Dernier Coup de marteau, Au plus près du soleil et Coup de chaud, drame se déroulant dans un petit village pendant une canicule et dans lequel il côtoie le prometteur Karim Leklou.

Ses rôles gagnant en importance et tournant à un rythme très soutenu, Grégory Gadebois enchaîne avec Cessez-le-feu d'Emmanuel Courcol et Ouvert la nuit d'Edouard Baer, puis prend part à des projets un peu plus grand public, comme le biopic sur Godard Le Redoutable, le film historique Nos patriotes, la comédie Normandie nue et l'adaptation de BD Raoul Taburin. Dans Marvin ou la Belle Éducation (2017), il joue le père du héros qui cherche à quitter son foyer familial des Vosges pour tenter sa chance à Paris.

En 2019, l'acteur tient l'un des rôles principaux du polémique J'accuse de Roman Polanski, celui du malhonnête commandant Henry, qui entend bien mettre des bâtons dans les roues au personnage de Jean Dujardin cherchant à innocenter le soldat juif. Dans la foulée, il change de registre via le réaliste Police, pour lequel il retrouve Anne Fontaine après Marvin ou la Belle Éducation et où il incarne un agent des forces de l'ordre aux côtés d'Omar Sy et Virginie Efira.

Très sollicité, il continue de prouver sa versatilité avec des seconds rôles dans la comédie familiale Le Trésor du Petit Nicolas, le drame sur l'euthanasie Tout s'est bien passé, la comédie horrifique méta Coupez !, ou encore le drame La Syndicaliste inspiré d'une histoire vraie. Le cinéma français lui confie aussi des rôles de premier plan avec le film historique Délicieux (2021) sur l'invention du concept de restaurant, la comédie Présidents où il campe rien de moins qu'un homme politique inspiré de François Hollande, ou encore Paternel (2024), sur un prêtre dévoué qui découvre sa paternité.