Eldred Peck a six ans lorsque ses parents divorcent, il est alors confié à sa grand-mère. A dix ans, il est envoyé à l'Academie militaire de St John à Los Angeles où il apprend les valeurs de la discipline et de l'autorité. Après avoir obtenu ses diplômes au lycée, il s'inscrit à l'Université de Californie à Berkeley. Poussé par son père qui voulait faire de lui un médecin, le jeune homme suit l'année préparatoire de médecine. Durant ses études, il se découvre un véritable intérêt pour l'écriture et l'art dramatique. En 1939, il termine ses études et décide de changer de prénom : de Eldred il devient Gregory.

Installé à New York, il fait partie de la distribution de The Neighborhood Playhouse et se perfectionne dans des petits rôles. Il débute sur la scène de Broadway en 1942 dans The Morning star de Emlyn Williams. Ce premier rôle et le fait remarquer et Hollywood l'engage pour deux rôles, celui de Vladimir dans Days of glory (produit par la R.K.O) et celui du Père Francis Chisholm dans Les Cles du royaume (20th Century Fox). Ce dernier film lui vaut sa première nomination auxOscars. De grands rôles s'offrent alors à lui.

Son charisme naturel et sa présence à l'écran le prédestinent à des rôles d'homme fort et héroïque. Alfred Hitchcock fait appel à lui pour interpréter un amnésique accusé de meurtre dans La Maison du Docteur Edwards (1945). L'acteur américain s'illustre également dans les westerns tels que Duel au soleil (1946), La Ville abandonnée (1948) ou encore La Cible humaine (1950). C'est tout particulièrement en 1947 son interprétation de Phil Green dans Le Mur invisible, une description de l'anti-sémitisme américain, qui contribue à renforcer son image d'homme de morale. Mais il ne se prive pas non plus de varier les registres en interprétant tantôt un commandant de bombardier dans le drame de guerre Un Homme de fer, tantôt le romantique partenaire de Audrey Hepburn dans Vacances romaines.

En 1962, Gregory Peck brille encore une fois grâce au personnage d'Atticus Finch, un avocat dans une petite ville du sud en charge de la défense d'un jeune homme noir accusé d'avoir violé une femme blanche dans Du Silence et des Ombres (1962). Pendant les années 1960 et 1970, il continue à tourner dans des films qui ont un peu moins de succès et d'impact.Alors au début des années 70, l'acteur se lance dans la production avec Le Plus Beau Jour de notre vie et The Dove. Après un petit ralentissement dans sa carrière d'acteur, il revient en 1976 dans le film d'horreur La Malédiction et confirme avec MacArthur, le général rebelle. A partir des années 80, il passe du grand au petit écran dans un premier temps avec la mini-série The Blue and the gray où il incarne Abraham Lincoln et dans le film La Pourpre et le Noir. En 1991, il apparaît dans Les Nerfs à vif, remake du film de Jack Lee Thompson, réalisé en 1962, où il tenait le rôle principal, face à un terrifiant Robert Mitchum.