Gaël Morel grandit dans un petit village de la région lyonnaise. Membre d'un Jury Jeunes au Festival de Cannes à 18 ans, il se destine à la mise en scène. Mais André Téchiné lui propose de jouer l'un des rôles principaux de Les Roseaux sauvages, celui de François, ado introverti et tourmenté, entre les fracas de la guerre d'Algérie et la découverte de l'homosexualité, un personnage dans lequel le réalisateur a mis beaucoup de lui-même. On le verra ensuite en étudiant dans Le Plus Bel Âge et Zonzon (1998), mais Gaël Morel décide de se consacrer essentiellement à la réalisation ; il retrouvera d'ailleurs le personnage de François, devenu cinéaste, dans Loin d'André Téchiné.

Très lié aux acteurs qui furent ses partenaires dans Les Roseaux sauvages, Gaël Morel fait de Stéphane Rideau le héros de son premier court métrage, La Vie à rebours (1994) mais aussi de son premier long, À toute vitesse (1996), dans lequel on retrouve aussi Élodie Bouchez. Portrait d'une jeunesse tourmentée, ce film est présenté à Cannes dans la section Cinémas en France. Après un téléfilm réalisé pour Arte, Premières Neiges, il part en Algérie tourner son deuxième opus, Les Chemins de l'Oued, réflexion sur le trouble identitaire et les troubles politiques. Il dresse avec Le Clan (2004) un état de la condition humaine. Pour son quatrième long métrage, Après lui, un film sur le deuil présenté à la Quinzaine des réalisateurs en 2007, Morel dirige Catherine Deneuve. En 2008 Arte diffuse son second téléfilm, réalisé en 2007, New Wave.

Le 7 avril 2009, il cosigne une lettre ouverte contre la loi Hadopi.