Issue d'une famille d'enseignants, Gong Li se destine d'abord au chant mais elle intégre finalement l'Académie dramatique de Pekin en 1985. Avant même d'avoir terminé sa formation, elle est choisie par Zhang Yimou pour jouer dans Le Sorgho rouge (1987), un film qui remporte le Lion d'Or à Berlin. La comédienne devient dès lors la muse de ce réalisateur dont elle devient la compagne, et interprète tour à tour des rôles d'épouse soumise (Epouses et Concubines, 1991) ou révoltée (Vivre, 1994), de paysanne (Qiu Ju une femme chinoise, 1992) ou de chanteuse de cabaret (Shanghai Triad, 1995).
Gong Li et Zhang Yimou forment pendant plusieurs années un couple célèbre et courageux face à la censure de leur pays, mais finissent par se séparer. Elle travaille alors avec d'autres cinéastes chinois majeurs comme Chen Kaige (L'Empereur et l'assassin, 1999) et Wayne Wang (Chinese Box, 1997, qui demeure son seul film occidental). Devenue une actrice incontournable en Chine, elle tourne sous la direction de Wong Kar-Wai dans 2046 (2004) où elle partage l'affiche avec Tony Leung.
Tout en ayant refusé une carrière hollywoodienne, Gong Li ne rechigne pas à prêter ses traits pour la publicité ou à se rendre dans des festivals internationaux. Sa beauté et son jeu subtil l'ont propulsée au rang de star mondiale, auréolée de la coupe Volpi de la meilleure actrice à Venise en 1992 pour Qiu Ju une femme chinoise. Elle est d'ailleurs la première femme chinoise à avoir fait la couverture du Times.
En 2005, Gong Li joue pour la première fois dans un film américain, séduite par la proposition de Rob Marshall qui lui offre un rôle dans l'adaption du roman d'Arthur Golden, Mémoires d'une geisha (2005).