Григорий Гагарин родился 29 апреля 1810 года в семье дипломата князя Григория Ивановича Гагарина (1782-1837) и Екатерины Петровны Соймоновой (1790-1873). До 13-летнего возраста находился при своих родителях в Париже и Риме, а потом учился в коллегии Толомеи, в Сиене. По выходе из этого заведения в 1826 г. состоял при российских посольстве в Париже (в должности архивариуса), Риме и Константинополе; в течение 2 лет занимал должность секретаря при посольстве в Мюнхене и, вернувшись в 1839 г. в Петербург, вскоре за тем отправился на Кавказ, где принимал личное участие в делах против горцев. В 1841 г. был зачислен на военную службу, прикомандирован к барону Гану. В 1841 г. же участвовал в Чиркеевском походе, за что был был награжден орденом Станислава 3 ст. В 1842 году участвовал в экспедиции кн. А. Чернышёва в Дагестан. В 1848 г. прикомандирован к кн. М.С. Воронцову (командующим Отдельным Кавказским округом и одновременно наместником Кавказского округа) в Тифлис, "в ученом и художественном назначении быть употребленным". Кроме военных и административных обязанностей, за которые он получил сверх нескольких орденов, чины ротмистра, полковника и генерал-майора, Гагарин много работал для нужд кавказских городов. В Тифлисе опо его проекту построен театр, также восстанавливал фрески в Сионском соборе и в старых грузинских монастырях, включая Грузинскую Бетанию. В 1855 г. назначен состоять при великой княгине Марии Николаевне, как президент Академии художеств, в 1858 году произведён в генерал-майоры, а в 1859 г. был сделан вице-президентом помянутой Академии, в 1864 г. причислен снова на гражданскую службу, с чином тайного советника. Должность вице-президента Академии занимал до 1872 г.
Продолжительное пребывание в молодости за границей способствовало развитию в нём любви к искусству. Брал уроки у К. П. Брюллова. Он занимался рисованием и живописью и, в ходе нескольких путешествий на Восток (в 1832 и 1837 гг., увлекся византийским стилем иконописания и орнаментикой, в дальнейшем занимаясь поисками взаимосвязей русского искусства и искусства Византии. В бытность свою на Кавказе расписал в этом стиле Сионский собор в Тифлисе, а потом, будучи вице-президентом Академии художеств, основал при ней Музей древностей, прилагал старания к тому, чтобы обратить русскую церковную живопись к византийским идеалам и пошибу, — старания, которые, однако, не привели к прочным результатами. Из художественных произведений князя Гагарина, кроме росписи Сионского собора, известны рисунки для роскошного издания «Le Caucase pitoresque», портреты М. К. Орбелиани, Д. А. Чавчавадзе (Русский музей), иллюстрации к повести «Тарантас» В. А. Соллогуба (в гравюрах Е. Е. Бернардского, 1845).
Григорий Григорьевич Гагарин был женат дважды и имел трёх сыновей и четырёх дочерей:
1-я жена княжна Анна Николаевна Долгорукова (1822-1845) - фрейлина.
2-я жена с 1848 года Софья Андреевна Дашкова (1822-1908), с 1840 года фрейлина, впосл. статс-дама.