Dès l'âge de 9 ans, ce fils d'acteurs débute à la télévision dans la série "Teresa" aux côtés de Salma Hayek. Il enchaîne trois ans après avec le soap "El Abuelo y yo". Il participe à plusieurs court-métrages dont "De tripas, corazón" (1996) qui fut nommé à l'Oscar du meilleur court métrage. Il fait également du théâtre avant de débarquer seul à Londres à l'âge de 17 ans où il étudie à la Central School of Speech and Drama.Il décroche des rôles qui vont véritablement le révéler à un large public dans deux long-métrages mexicains : Amours chiennes (2000) de Alejandro González Inárritu, nommé à l'Oscar du meilleur film étranger et surtout Et... ta mère aussi ! (2001) d'Alfonso Cuaron. Il enchaîne avec Le Crime du père Amaro, film controversé où il est un prêtre attiré par une jeune femme. Il tourne également aux Etats-Unis. Il participe à la comédie romantique Autour de Lucy et au drame Attraction fatale, une histoire de manipulation. Il donne la réplique à Viggo Mortensen dans le film Alatriste adapté d'un roman d'Arturo Perez Reverte.En 2004, il crée un double événement à Cannes. Il représente en effet deux films sur la Croisette : La Mauvaise éducation de Pedro Almodovar, présenté en ouverture et où il assure un triple rôle. On le retrouve aussi dans Carnets de voyage de Walter Salles où il prête ses traits à Ernesto Che Guevara, rôle qu'il a déjà tenu dans la mini-serie "Fidel".
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.
