A una edad temprana, Gaspard Ulliel terminó sus estudios de verano en Cours Florent. Después del bachillerato, se marchó a estudiar cine en la Universidad de Saint-Denis.
La carrera como actor de Ulliel comenzó en la televisión y en cortometajes, para después asumir un pequeño papel en El pacto de los lobos, en la que destacaron Monica Bellucci y Vincent Cassel.
Su primer papel importante fue en Besen a quien quieran, una película de Michel Blanc, en la que Charlotte Rampling desempeña el papel principal. Ganó por esta película el Prix des Lumieres y la Estrella de Oro al Mejor actor novel. Su siguiente papel destacado fue como amante de Emmanuelle Beart en Fugitivos (Les Égarés), dirigida por Andre Techine.
Siguió con Las maletas de Tulse Luper, dirigida por Peter Greenaway y protagonizada por Isabella Rossellini y Franka Potente.
Ulliel fue la contrafigura principal de Audrey Tautou en Largo domingo de noviazgo, de Jean-Pierre Jeunet, por la que recibió en Francia un César al Mejor actor novel. Siguieron los largometrajes El último día de Rodolphe Marconi y La maison de Nina de Richard Dembo. Recientemente terminó Jacquou le croquant de Laurent Boutannat.
Lo siguiente que veremos de Ulliel será Paris, je taime, de próximo estreno, una colección de historias de amor por 20 cineastas. Ulliel tendrá el papel principal en la historia del director Gus Van Sant.