Nato a Roma nel 1938, Giuliano Gemma arriva al cinema giovanissimo - come stuntman - alla fine degli anni Cinquanta ed esordisce in un piccolo ruolo in Venezia, la luna e tu (1958) di Dino Risi, interpretato da Alberto Sordi.

L’anno dopo il regista americano William Wyler lo nota a Cinecittà e lo sceglie per il ruolo di un centurione nel celeberrimo kolossal Ben-Hur (1959), interpretato da Charlton Heston e Stephen Boyd. Un’apparizione (non accreditata) che gli farà da “trampolino di lancio”.

Tre anni dopo Duccio Tessari lo chiama per interpretare il biondo Krios in Arrivano i titani (1962), film di grande successo commerciale anche all'estero e che affronta con ironia il genere mitologico.

L’anno dopo è un ufficiale garibaldino ne Il Gattopardo (1963) di Luchino Visconti, tratto dall’omonimo libro (Premio Strega 1959) di Giuseppe Tomasi di Lampedusa, ed in cui lavora con Burt Lancaster, Claudia Cardinale, Alain Delon, Paolo Stoppa, Serge Reggiani, Romolo Valli, Rina Morelli, Lucilla Morlacchi, con il quasi coetaneo Mario Girotti - non ancora Terence Hill - e con una giovanissima Ottavia Piccolo.

Seguono numerosi film di grande successo, fra cui Angelica (1964), Angelica alla corte del re (1965) e La meravigliosa Angelica (1965), tutti e tre diretti da Bernard Borderie ed interpretati da Michèle Mercier.

In quegli anni arriva anche il filone dei cosiddetti “spaghetti western", che lo consacra definitivamente facendo enormi incassi al botteghino con film quali Una pistola per Ringo (1965) e Il ritorno di Ringo (1966), entrambi diretti da Duccio Tessari, Adiós gringo (1965) di Giorgio Stegani, Un dollaro bucato (1965), Per pochi dollari ancora (1966) e Wanted (1967), tutti e tre diretti da Giorgio Ferroni, I lunghi giorni della vendetta (1967) di Florestano Vancini, I giorni dell'ira (1967) di Tonino Valerii, in cui lavora con Lee Van Cleef (ex "ceffo" di western americani come Mezzogiorno di fuoco di Fred Zinnemann, Sfida all'OK Corrall di John Sturges, Bravados di Henry King e L'uomo che uccise Liberty Valance di John Ford, e noto in Italia per Per qualche dollaro in più e Il buono, il brutto, il cattivo, entrambi diretti da Sergio Leone, La resa dei conti di Sergio Sollima, Da uomo a uomo di Giulio Petroni, Al di là della legge di Giorgio Stegani e molti altri). In alcuni casi i produttori lo fanno recitare con lo pseudonimo di Montgomery Wood.

Nel ’69, in Vivi o preferibilmente morti di Duccio Tessari ritrova Nino Benvenuti, suo ex compagno di leva (avevano entrambi prestato servizio come vigili del fuoco alle Capannelle, a Roma) ed ormai grande pugile noto in tutto il mondo. I due instaureranno un ottimo rapporto di amicizia che durerà per tutta la vita.

Nel ’70 ha la parte di Silvio Corbari, eroe e partigiano faentino, in Corbari di Valentino Orsini e, l’anno seguente, interpreta Robin Hood ne L'arciere di fuoco (1971) di Giorgio Ferroni. 

Nel ’73 lavora Bud Spencer in Anche gli angeli mangiano fagioli di E.B. Clucher (nome d’arte di Enzo Barboni), esilarante parodia del gangster movie americano. L’anno dopo torna sul genere in coppia con Ricky Bruch in Anche gli angeli tirano di destro (1974), anch’esso diretto da E. B. Clucher.

Cambiando genere, nella seconda metà degli anni Settanta, appare anche in film più impegnati, quali Il deserto dei Tartari (1976) di Valerio Zurlini, tratto dall’omonimo libro di Dino Buzzati (Premio Strega 1958 con Sessanta racconti) ed interpretato da Jacques Perrin, Jean-Louis Trintignant e Max von Sydow, Il prefetto di ferro (1977) e Corleone (1978), entrambi diretti da Pasquale Squitieri ed interpretati da Claudia Cardinale, e Un uomo in ginocchio (1979) di Damiano Damiani.

Negli anni Ottanta prende parte a Tenebre (1982) di Dario Argento e Speriamo che sia femmina (1986) di Mario Monicelli e dà il volto a Tex Willer in Tex e il signore degli abissi (1985) di Duccio Tesari, originariamente scritto per la televisione. Una curiosità riguarda il fatto che, grazie all'enorme successo avuto dai suoi film in Giappone, all'inizio dello stesso decennio la casa automobilistica Suzuki ha prodotto due modelli di scooter con il suo nome.

A partire da fine anni Ottanta/inizio Novanta dirada notevolmente le sue apparizioni cinematografiche e lavora soprattutto per il piccolo schermo.

Fra gli altri film ricordiamo Arrangiatevi! (1959) di Mauro Bolognini, I cosacchi (1960) di Giorgio Rivalta, Il pianeta degli uomini spenti (1961) di Antonio Margheriti, Boccaccio ’70 (1962), film a episodi diretto da Vittorio De Sica, Federico Fellini, Mario Monicelli e Luchino Visconti, La schiava di Bagdad (1963) di Pierre Gaspard-Huit, La rivolta dei pretoriani (1964) di Alfonso Brescia, Erik il vichingo (1965) di Marco Caiano, Arizona Colt (1966) di Michele Lupo, … e per tetto un cielo di stelle (1968) di Giulio Petroni, I bastardi (1968) di Duccio Tessari, Violenza al sole (1969) di Florestano Vancini, Il prezzo del potere (1969) di Tonino Valerii, L’amante dell’Orsa Maggiore (1971) di Valentino Orsini, Un uomo da rispettare (1972) di Michele Lupo, in cui lavora con Kirk Douglas, Il bianco, il giallo, il nero (1974) di Sergio Corbucci, in cui recita con Eli Wallach (Baby Doll di Elia Kazan, Crimine silenzioso di Don Siegel, I magnifici sette di John Sturges, Gli spostati di John Huston, La conquista del West di Henry Hathaway, John Ford e George Marshall, e noto in Italia per Il buono, il brutto, il cattivo di Sergio Leone e I quattro dell’Ave Maria di Giuseppe Colizzi), Africa Express (1975) di Michele Lupo, in cui lavora con Ursula Andress e Jack Palance, Safari Express (1977) di Duccio Tessari, California (1977) di Michele Lupo, Il grande attacco (1978) di Umberto Lenzi, Sella d’argento (1978) di Lucio Fulci, Circuito chiuso (1979) di Giuliano Montaldo, L’avvertimento (1980) di Damiano Damiani, La baraonda (1980) di Florestani Vancini, Commando d’assalto (1980) di Raoul Coutard, Le cercle des passions (1983) di Claude d’Anna, Claretta (1984) di Pasquale Squitieri, in cui lavora nuovamente con Claudia Cardinale, Il padre americano (1987) di Philippe Charigot, Qualcuno pagherà (1988) di Sergio Martino, L’agguato (1988) di Gerardo Herrero, Il morso del ragno (1988) di Claude d’Anna, Un bel dì vedremo (1996) di Tonino Valerii, Un uomo perbene (1998) di Maurizio Zaccaro, La donna del delitto (2000) di Corrado Colombo.

L’ultima apparizione prima della sua scomparsa - avvenuta nell’ottobre 2013 a causa di un incidente d’auto a Cerveteri (RM) - è stata in To Rome With Love (2012) di Woody Allen.

Nel corso della sua lunga carriera cinematografica, Giuliano Gemma ha interpretato oltre cento film e ricevuto numerosi premi, fra cui il David di Donatello (per il già citato  Il deserto dei Tartari di Valerio Zurlini), la Grolla d’Oro (per i già citati Corleone di Pasquale Squitieri e Un uomo in ginocchio di Damiano Damiani), tre Premi De Sica, un Nastro d’Argento alla Carriera ed un Globo d’Oro alla Carriera.