Nato Roma nel 1938, Giuliano Gemma trascorre l'infanzia a Reggio Emilia per poi tornare nella capitale dove, adolescente, inizia a lavorare nel cinema come stuntman.
Grazie alla sua bellezza e al fisico atletico e scultoreo (pratica con successo numerosi sport, tra cui il pugilato), dopo aver debuttato nel 1958 con un piccolo ruolo in Venezia, la luna e tu di Dino Risi, compare anche in Il nemico di mia moglie e Arrangiatevi!
Inizia poi la sua carriera nei generi popolari del cinema dell'epoca. Dopo un'apparizione non accreditata nei panni di un centurione in Ben Hur di William Wyler, del 1959, esordisce da protagonista, coi capelli ossigenati, nel peplum Arrivano i titani di Duccio Tessari, del 1961.
Due anni dopo appare ne Il gattopardo di Luchino Visconti nel ruolo di uno dei compagni garibaldini di Alain Delon, l'affascinante "diavolo rosso". Ottiene anche un ruolo di rilevo nel francese Angelica, con Michèle Mercier.
Segue una lunga teoria di film mitologici come Maciste, l'eroe più grande del mondo, I due gladiatori, Ercole contro il figlio del sole. Ma è ancora Tessari a traghettarlo nel western all'italiana nel 1965, col popolarissimo Una pistola per Ringo, cui segue il sequel Il ritorno di Ringo (con lo pseudonimo americano di Montgomery Wood).
Da allora diventa uno dei volti più noti e amati dello spaghetti western, con titoli come Il pistolero di Arizona, I lunghi giorni della vendetta (di Florestano Vancini con cui gira anche La baraonda), Vivi o preferibilmente morti (ancora con Tessari).
Nel 1971 è Robin Hood in L'arciere di fuoco di Giorgio Ferroni. Nel 1973 appare con Bud Spencer nel popolare Anche gli angeli mangiano fagioli (e nel sequel Anche gli angeli tirano di destro).
Appare presto anche in ruoli più impegnati come quello di Corbari, il bel film di Valentino Orsini - con cui lavorerà più volte - sull'omonimo capo partigiano. Lavora anche con Luigi Comencini (Delitto d'amore), Giuliano Montaldo (Circuito chiuso), Pasquale Squitieri (Corleone, Il prefetto di ferro), Damiano Damiani (Un uomo in ginocchio) e Dario Argento (Tenebre).
Per Valerio Zurlini recita nella bella trasposizione Buzzatiana Il deserto dei tartari, per cui vince il David di Donatello come miglior attore.
In Speriamo che sia femmina Mario Monicelli gli affida un ruolo autoironico.
Il western resta la grande passione di Gemma. Quando si fa un film sul mitico eroe dei fumetti Bonelli Tex Willer, Tex e il signore degli abissi, è ancora Duccio Tessari a sceglierlo come protagonista. Una seconda carriera, anch'essa di successo, aspetta Giuliano Gemma in televisione, dove compare in serie come Il capitano e Capri. E’ conosciuto e amato in tutto il mondo, dall’America alla Francia al Giappone, dove la Suzuki gli dedica due moto. Sul versante privato è - come lui stesso racconta - un grande e fortunato dongiovanni: non si contano le sue conquiste, da Ursula Andress a Stefania Sandrelli. Dalla prima moglie Natalia ha le figlie Vera, anch'essa attrice, e Giuliana. Nel 1997 sposa in seconde nozze la giornalista Daniela "Baba" Richerme. La sua ultima, breve apparizione cinematografica è quella del direttore d'albergo in To Rome With Love di Woody Allen. Muore nel 2013, a 75 anni, in un drammatico incidente d'auto.