Gaspard Ulliel nasce nella regione dell'Île-de-France da padre stilista e madre produttrice televisiva. Frequenta l'Ecole Active Bilingue (EABJM) e concretizza la sua inclinazione per la Settima Arte laureandosi in cinema, nella rinomata università parigina di Saint-Denis: a quei tempi il fanciullo sogna una carriera come regista.

Dopo aver girato qualche pellicola destinata al piccolo schermo, esordisce al cinema con Il Patto dei Lupi, al fianco della bollente coppia Bellucci-Cassel.
Nel 2003 l'incantevole Emmanuelle Béart si lascia sedurre da Gaspard nel conturbante Les égarés. Solo dodici mesi più tardi il mondo si accorgerà di lui, grazie all'efficace interpretazione accanto alla deliziosa Audrey Tautou nel romantico Una lunga domenica di passioni di Jean-Pierre Jeunet. E mentre i media iniziano ad associarlo ad Alain Delon, Ulliel si aggiudica il premio César come miglior attore emergente.

Inizialmente titubante per paura di non saper reggere il confronto con Sir Anthony Hopkins, Gaspard, nel 2007, accetta di incarnare, sbaragliando la concorrenza, il personaggio più "cattivo" nella storia di Hollywood: Hannibal Lecter. In Hannibal Lecter - Le origini del male, quinto capitolo delle "succulente" vicende dello psichiatra antropofago creato dalla geniale mente di Thomas Harris, Ulliel, bello e inquietante come non mai, sfodera tutto il suo insolente magnetismo.

La sua carriera procede poi tra film e serie tv dipendenti. Nel 2014 veste i panni del celebre stilista Yves Saint Laurent nel film Saint Laurent (candidato ai César come migliore attore protagonista) e nel 2016 fa parte del cast del film di Xavier Dolan It's Only the End of the World. Nello stesso anno è nel cast di The Dancer, per la regia di Stéphanie Di Giusto. Tra il 2018 e il 2019 prende parte a ben tre film, One nation, One King di Pierre Schoeller, presentato alla Mostra del Cinema di Venezia, Sibyl - Labirinti di donna di Justine Triet, con Virginie Efira e Adèle Exarchopoulos, e Eva di Benoît Jacquot, con Isabelle Huppert.

Timido a livello cronico, è stato un vero sportivo a tutto campo, praticando nuoto, tennis, sci nautico, rollerblade, skateboard e sci. Quello stesso sci che si è rivelato fatale: nel gennaio 2022 Gaspard Ulliel muore a seguito di un incidente sulle piste. Trasportato d'urgenza in ospedale con l'elisoccorso dopo lo scontro con un altro sciatore, non riprenderà più coscienza. Aveva 37 anni.