Dès l'âge de 11 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 courts-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 2 films mexicains : Amours chiennes (2000) d'Alejandro González Iñárritu, « nominé » pour l'Oscar du meilleur film étranger et surtout Et... ta mère aussi ! (Y tu mamá también) (2001) d'Alfonso Cuarón. Il enchaîne avec Le Crime du père Amaro.

Il tourne également aux États-Unis. Il participe à la comédie romantique Autour de Lucy et au drame Attraction fatale. Il donne la réplique à Viggo Mortensen dans le film Alatriste adapté d'un roman d'Arturo Pérez-Reverte.

En 2004,  il représente en effet 2 films sur la Croisette Cannoise : La Mauvaise Éducation de Pedro Almodóvar, présenté en ouverture. On le retrouve aussi dans Carnets de voyage de Walter Salles où il incarne le jeune Ernesto Guevara de la Serna, avant qu'il ne devienne Che Guevara.

En 2006, il retrouve Alejandro González Iñárritu pour le film Babel qui met notamment en vedette Brad Pitt et Cate Blanchett. Il joue également dans La Science des Rêves de Michel Gondry. Ces 2 films, ainsi que quelques précédents, montrent l'intérêt que peut porter Gael García Bernal pour des films à saveur internationale.

En 2007, Gael Garcia Bernal présente Ambulantes, une tournée de documentaires présentée par les mexicains Gael Garcia et Diego Luna et leur maison de production Canana Films.