A kaliforniai La Jollában jött a világra. Szülei válása után, ötéves korától nagyanyja nevelte, akivel rendszeresen jártak moziba, egyik első filmélménye, az Operaház fantomja nagyon felzaklatta az érzékeny fiút. Tanult a katonai akadémián, majd orvosi tanulmányokat folytatott, két évig színiiskolába járt, emellett rádiózott és kikiáltó volt az 1939-es New York-i világkiállításon.
Első színpadi szerepét 1941-ben kapta, egy év múlva már a Broadwayn debütált. Hamarosan Hollywoodba hívták, a szikár, jóképű, markáns vonású színész 1944-ben felejthetetlen alakítást nyújtott A mennyország kulcsa és A dicsőség napjai című filmekben, abban az évben első alkalommal jelölték Oscar-díjra. A közönség új kedvence akkoriban szokatlan módon egyik stúdióval sem szerződött, maga választotta ki a szerepeit, majd 1948-ban önálló céget alapított.
1946 és 1949 között még háromszor jelölték a legjobb férfi alakítás Oscar-díjára. Ekkoriban forgatott filmjei közül emlékezetes az Alfred Hitchcock rendezésében készült Elbűvölve, amelyben Ingrid Bergman volt a partnere, A Paradine-ügy és a King Vidor rendezte Párbaj a napon című western (utóbbi azon kevés filmek egyike, amelyben negatív hőst játszott). Sikert aratott a Korda Zoltán által forgatott A Macomber-ügy, a Tizenkét órakor magasan című háborús alkotás, valamint a Hemingway műve nyomán készült romantikus A Kilimandzsáró hava. Az ötvenes években forgatott filmjei közül ismertebb az Őfelsége kapitánya, a Moby Dick, az emberiség pusztulását felvázoló Az utolsó part, a háborús Navarone ágyúi és - természetesen - a William Wyler által rendezett Római vakáció.
Minden idők egyik legromantikusabb vígjátékában amerikai riportert játszik, aki a bájos Audrey Hepburn alakította hercegnővel keveredik keserédes egynapos románcba. Érdekesség, hogy a hercegnő szerepére eredetileg Elizabeth Taylor, az újságíróéra Cary Grant, a rendezői székbe pedig Frank Capra volt kiszemelve. A római Cinecittában forgatott első amerikai film tíz Oscar-jelöléséből hármat söpört be, s nem mellesleg Gregory Peck a filmnek köszönhetően ismerte meg második feleségét, egy francia újságírónőt, aki interjút kért tőle. A film színdarabot is ihletett, amely jelenleg is szerepel a Belvárosi Színház repertoárján, s néhány éve az olasz fővárosban Római vakáció elnevezéssel indítottak városnézési programot, amelynek résztvevői a film helyszíneit kereshetik fel.
A régóta esedékes Oscar-díjat 1962-ben vihette haza a Ne bántsátok a feketerigót! főszerepéért. A számára egyik legkedvesebb filmben ügyvédet alakított, aki egy alaptalanul nemi erőszakkal vádolt fekete férfit véd a harmincas években, a fajgyűlölő amerikai Délen. Szintén 1962-ben készült A rettegés foka című krimi, amelynek harminc évvel későbbi új változatában mellékszereplőként bukkant fel. Több westernre is leszerződött (A vadnyugat hőskora, A lopakodó hold, MacKenna aranya), vállalt thrillereket is, az Arabeszkben Sophia Loren partnere volt, A brazíliai fiúkban az auschwitzi koncentrációs tábor rettegett orvosát, a hírhedt Josef Mengelét személyesítette meg. Pályája későbbi szakaszában forgatott még háborús filmet (Tengeri Farkasok), a mexikói forradalmat felidéző mozit (Tüzes alkony) és komédiát (A nagy likvidátor).
Több filmjének producere is volt, mint az Idegen a cowboyok között című western, az Ómen című horror és egy életrajzi film a legendás MacArthur tábornokról. Játszott tévéfilmekben és sorozatokban is, A kék és szürke című filmben Abraham Lincoln amerikai elnököt személyesítette meg. A kilencvenes években már keveset forgatott, elvi okokból: mint mondta, egész pályafutása során tisztességes és becsületes embereket játszott, ezért nem kívánt részt vállalni olyan alkotásokban, amelyekben antihősökből csinálnak közönséges, erkölcstelen, gyűlölködő, kapzsi és erőszakos hősöket.
A liberális gondolkodású színész többször is elnyerte a Golden Globe-díjat, megkapta az amerikai filmakadémia Jean Hersholt humanitárius díját, a legrangosabb amerikai polgári kitüntetést, az Elnöki Szabadság-érdemrendet, a cannes-i filmfesztiválon az Arany Pálmát, az Amerikai Filmintézet életműdíját, csillaga van a Hollywoodi Hírességek sétányán, életműdíjjal tisztelték meg a berlini filmfesztiválon, s ugyancsak pályafutását ismerték el a Golden Globe-díjátadón a Cecil B. DeMille-díjjal. 1967 és 1969 között ő volt az Amerikai Filmintézet első elnöke, s 1967-től több cikluson keresztül az amerikai filmakadémia (AMPAS) elnöke.
Gregory Peck egyszerre volt a nők bálványa és a háború utáni amerikai filmművészet kiemelkedő alakja. Rendszeresen a legjobban öltözött hírességek közé választották, élen járt a jótékonykodásban. Magánélete legendásan rendezett volt, második feleségével csaknem ötven évet élt együtt. Kedvenc énekese Frank Sinatra, Michael Jackson és Elton John, színésznője Audrey Hepburn, Ingrid Bergman és Ava Gardner volt - Marilyn Monroe-t viszont nem szívlelte, még szerepet is utasított vissza, mert vele kellett volna dolgoznia.
Gregory Peck 2003. június 12-én halt meg Los Angelesben.