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. Mais le triangle amoureux aura un destin funeste. Dans le second long-métrage, il interprète un adolescent surexcité qui décide de partir à l’aventure vers les côtes espagnoles avec un de ses meilleurs amis pour assouvir ses désirs et fantasmes. Entre temps il croise Luisa, jeune femme de 28 ans de laquelle il s’éprend. Les deux jeunes hommes lui proposent de les rejoindre. Elle refuse d’abord, puis apprend qu’elle est malade et les contacte. S’ensuit une relation sensuelle et ambiguë entre les trois protagonistes. 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 le personnage d’Angel, un travesti manipulateur qui retrouve un de ses amis d’enfance avec lequel il a partagé ses années de collège chez les Jésuites. Cette rencontre va raviver les braises du passé et Enrique va découvrir que son ami d’autrefois s’est mué en un individu froid, calculateur, immoral pour qui le sexe sera un moyen d’arriver à ses fins.
L'année suivante, il fait son retour sur la Croisette pour la présentation dans la section "Un Certain Regard" 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 d'une église baptiste. Un an plus tard il entre dans l'univers déjanté du réalisateur français Michel Gondry en tenant le rôle principal de La Science des rêves, celui d'un doux rêveur qui ne sait pas faire la différence entre ses évasions nocturnes et la réalité. La même année, il retrouve Alejandro González Inárritu en jouant dans Babel une mosaïque de destins croisés, thématique chère au réalisateur mexicain, et prix de la mise en scène au Festival de Cannes 2006. 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 le film Rudo y Cursi (qui ne sortira dans les salles qu'en 2010) où il interprète le frère de Diego Luna, avant de rejoindre le casting du film 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 se déroulant à Vérone (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 Garcia Bernal 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. Cette émulation collective met le réalisateur et le producteur face à un dilemme : continuer leur projet envers et contre tout ou soutenir la population locale qui, sans eau, se retrouverait démunie.
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 de l'envoûtant et violent Si tu voyais son coeur.
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.