그레고리 펙의 아버지는 약사였으며 펙이 5살 때 부모는 이혼했다.

UC 버클리 의대에 진학했지만 연극에 심취하여 문학과 연극으로 전공을 바꾼 것으로 알려져있으며 1939년 대학 졸업 후 뉴욕으로 가 네이버후드 플레이하우스 연기학교에 입학, 전설적인 연기지도자 샌퍼드 마이스너와 세계적인 무용수 마사 그레이엄에게 수학했다

1942년 에밀리 윌리엄스의 연극 The Morning Star의 주연으로 발탁되어 브로드웨이 연극무대에 섰으며 이듬해 할리우드로 진출, 영화 로 데뷔했다.
1944년 영화 에서 맡은 치셤 신부 역으로 아카데미 남우주연상에 노미네이트되면서 그레고리 펙의 눈부신 연기 인생이 본격적으로 시작되었다.

1945년 잉그리드 버그만과 공연한 , 1946년 , 1947년 등으로 3년 연속 아카데미 남우주연상 후보에 노미네이트되었으며 마침내 1962년 로 아카데미 남우주연상을 수상했다. 이 영화에서 그레고리 펙은 억울한 누명을 쓴 흑인 남자를 변호하는 의지의 변호사로 출연해 리버럴한 미국의 도덕적 가치를 상징하는 영웅의 이미지를 남겼으며 미국영화협회 (the American Film Institute)가 선정한 "영화사상 가장 위대한 영화 속 주인공(the greatest movie hero of all time)"으로 뽑히기도 했다.

1960년대 중반부터 70년대 말까지는 서부 영화 출연, 영화 제작 참여 등을 했으나 개인적으로는 TV 기자였던 큰 아들 존 펙의 권총 자살로 씻을 수 없는 마음의 상처를 입은 시기이기도 하다.
1976년 은 그레고리 펙의 재기작이라고 할 수 있으며 이듬해 에서 맥아더 장군의 역을 맡아 명연기를 보여주었다.

훤칠한 키, 조각처럼 수려한 용모에 도덕적이며 성실한 이미지를 가졌던 그레고리 펙은 의 사려깊은 사제, 의 기자에서부터 의 에이허브 선장, 속의 나치 전범 멩겔레 (Mengele)에 이르기까지 다양한 장르의 영화들 속에서 폭넓은 연기력을 과시한 성공적인 배우였다.
40여년의 연기 생활동안 60여편의 영화에 출연했고, 그 중 10여편의 영화를 아카데미상 후보에 올려놓았던 그는 아카데미 남우주연상 후보에 5회 노미네이트되어 1회 수상했으며 2번의 골든글로브 남우주연상 등 16차례의 각종 상을 수상했다. 또한 미국영화연구소 초대 의장, 미국 아카데미상을 주관하는 미국 영화예술과학협회 회장, 미국 암협회 회장 등을 지내며 왕성한 활동을 펼쳤다.

정치적으로 리버럴한 입장이었던 그레고리 펙은 베트남전 당시에는 반전시위에 앞장섰고 말년엔 미국 각지를 돌며 자신의 삶에 대한 강연을 주로 했다. 1967년 예술과학협회가 주는 진 허쇼트 인도주의상을, 1969년에는 대통령 자유 메달(Presidential Medal of Freedom)을 수상했다.

1942년 결혼한 그레타 라이스와 1955년 이혼한 후 프랑스 여성이며 기자 출신의 베로니크 파사니와 재혼해 여생을 함께했다. 베로니크와의 사이에서 낳은 앤서니와 시실리아는 모두 배우로 활약 중이다.

그레고리 펙은 2003년 6월 12일 오전(현지시간) 미국 로스앤젤레스 자택에서 노환으로 타계했다. 향년 87세.