Пик карьеры и мировой славы Улановой пришёлся на 1940-е—1950-е годы, народная артистка СССР (1951), дважды Герой Социалистического Труда (1974; 1980), лауреат четырёх Сталинских (1941; 1946; 1947; 1950) и Ленинской премий (1957).
Ученица Агриппины Вагановой. В 1928—1944 артистка Мариинского (Кировского) театра в Ленинграде, с 1944 по 1960 — Большого театра в Москве. Знамениты её роли в «Жизели» Адана, «Золушке» и «Ромео и Джульетте» Прокофьева, «Красном маке» Р.Глиэра.
Единственной балерине — ей при жизни были установлены памятники в Санкт-Петербурге (1984, скульптор Михаил Аникушин) и Стокгольме (1984, скульптор Елена Янсон-Манизер). В Голландии был выведен сорт тюльпанов «Уланова».
Уланова родилась в семье артистов балета Мариинского театра. Отец, Сергей Уланов, впоследствии стал балетным режиссёром; мать, Мария Романова, была педагогом хореографического училища. К карьере балерины в детстве не стремилась.
В 9 лет была принята в Петроградское хореографическое училище, где основными ее педагогами стали её мать — Мария Романова (у неё дочь училась первые шесть лет), а затем Агриппина Ваганова.
В 1928 году Уланова окончила Ленинградское хореографическое училище. После выпускного спектакля 16 мая 1928 Уланова была принята в труппу ленинградского Театра оперы и балета (позднее Ленинградский государственный театр оперы и балета им С. М. Кирова). Первые выступления Галины Улановой на сцене Мариинского театра сразу же привлекли к ней внимание критиков. Здесь же в 1929 году в возрасте 19 лет Уланова станцевала свою первую ведущую партию — Одетту-Одиллию в «Лебедином озере».
В Кировском Уланова проработала до 1944 года. Среди других её лучших ролей Жизель («Жизель» Адана, 1932), Маша («Щелкунчик» Чайковского, 1934), Мария («Бахчисарайский фонтан» Б. В. Асафьева, 1934). Но самым большим успехом Улановой стало создание неповторимого образа Джульетты в балете Прокофьева «Ромео и Джульетта» (1940, балетмейстер Лавровский). По поводу перехода в Большой театр Уланова сказала: «В Москву я никогда бы не переехала, да так власти распорядились, чуть ли не решение ЦК по этому поводу приняли».
В 1942 году прибыла в Алма-Ату, работала в труппе Казахского государственного академического театра оперы и балета в Алма-Ате, где исполнила партии Марии в «Бахчисарайском фонтане» Б. В. Асафьева, Жизель в одноимённом балете А. Ш. Адана, а также выступала на концертах. В 1943 году ей было присвоено почётное звание «Народный артист Казахской ССР».
В 1944—1960 годах Уланова была ведущей балериной Большого театра, где также блистала в «Лебедином озере», «Ромео и Джульетте» (1947), «Бахчисарайском фонтане» (1944) и др. Вершиной трагедийного танца Улановой стала роль Жизели (особенно в сцене сумасшествия).
Первые гастроли Большого театра в 1956 году в Лондоне, где Уланова танцевала Жизель и Джульетту и имела триумфальный успех, равного которому, по свидетельству зарубежных авторитетов, они не видели со времён Анны Павловой.
В 1960 году, в последний раз станцевав «Шопениану», она закончила карьеру примы-балерины. Свою сценическую деятельность балерина официально прекратила в 1962 году. С 1960 года и до конца своей жизни Уланова работала в Большом театре балетмейстером-репетитором. Среди её учеников — целая плеяда звезд: Екатерина Максимова, Владимир Васильев, Нина Тимофеева, Людмила Семеняка, Нина Семизорова, Алла Михальченко, Надежда Грачёва.
Умерла 21 марта 1998 года в Москве и похоронена на Новодевичьем кладбище (участок № 5).
Она трижды была замужем, и все трое её избранников — люди искусства: режиссёр Юрий Завадский, актёр и режиссёр Иван Берсенев, художник Вадим Рындин.
У неё не было какого-либо хобби, побочных от профессии занятий. Но, конечно же, были пристрастия: «Природа для меня то же, что и музыка. Так же загадочна», — говорила балерина. «Раньше в Петербурге ходили конки. На лошадей одевали шоры, чтобы ничто их не отвлекало. Вот в таких „шорах“ я и проходила почти всю свою жизнь. Чтобы ничто не мешало работать, думать о своей профессии. Самое комфортное для меня состояние — одиночество. Обычно я не подхожу ни к кому. Если подходят ко мне, начинают говорить о театре». Она любила животных.
Была строга к себе. Ранним утром — целый час своя зарядка, в которую были включены и балетные па. И на склоне лет её вес оставался тем же, что в артистические годы — 49 кг. Она всегда была элегантна, отличалась легкой изящной походкой.
В 1953 году на киностудии «Ленфильм» был снят фильм «Мастера русского балета». В фильм вошли фрагменты балетов Бориса Асафьева «Бахчисарайский фонтан» и «Пламя Парижа», а также балета «Лебединое озеро» П. И. Чайковского. Галина Уланова исполнила в этом фильме одну из главных партий.
Единственной балерине — ей при жизни были установлены памятники в Санкт-Петербурге (1984, скульптор М. К. Аникушин) и Стокгольме (1984, скульптор Е. А. Янсон-Манизер).
В Голландии был выведен сорт тюльпанов «Уланова».
Во Франции знаменитый зал «Плейель» после реконструкции открывался представлением в её честь.
Квартира Улановой в Москве сделана мемориальным музеем.
В России создан Фонд Г. С. Улановой.
1 декабря 2009 года Центральный Банк России объявил о выпуске в обращение памятной серебряной монеты номиналом в 2 рубля посвящённую столетию со дня рождения Галины Улановой. Монеты выпущены тиражом 5000 штук и изготовлены из серебра 925 пробы, вес чистого металла 15,5 грамм (пол-унции). Несмотря на дату выхода на монетах проставлена дата 2010 год.