Gérard Blain est issu d'une famille parisienne depuis plusieurs générations. Il est très jeune quand son père, architecte en chef de la ville de Paris, délaisse le foyer familial. Les relations de Gérard Blain avec sa mère et sa soeur deviennent alors conflictuelles. Il quitte l'école à 13 ans sans même avoir le certificat d'études primaires et commence une vie mouvementée d'enfant de la rue, livré à toutes sortes de difficultés dans le Paris de l'Occupation. À 14 ans, il fit un bref séjour dans les FFI. Il dira lui même « Depuis mon enfance, je me considère avec la société en état de légitime défense ». Cette enfance malheureuse sera un des sujets récurrents de ses films, notamment le très autobiographique Un enfant dans la foule.
Avec un physique entre
Alain Delon et
James Dean, il commence par hasard à faire de la figuration dans des films, remarqué pour sa « belle petite gueule ». C'est
Julien Duvivier qui, en lui donnant enfin un rôle consistant dans
Voici le temps des assassins alors qu'il a 26 ans, le lance définitivement dans le monde du cinéma. Il rencontre les réalisateurs de la Nouvelle Vague,
Godard,
Chabrol, nés la même année que lui, et devient une icône avec
Le Beau Serge. Il joue dans le film hollywoodien Hatari aux côtés de
John Wayne, mais ne pouvant s'adapter au star-system à l'américaine, il refuse de signer un contrat et revient en France
Ses idées sur le cinéma se heurtent à un certain conformisme qu'il rejette, c'est un acteur rebelle, moralement intransigeant, nostalgique des valeurs disparues, en révolte permanente contre son temps. Il s'exprime enfin en passant à la réalisation en 1971 avec Les Amis. Gérard Blain est un puriste du cinéma, préférant les amateurs aux acteurs professionnels, partisan de l'épure des plans et d'un son maîtrisé, hostile à tout effet artificiel. Son cinéma est extrêmement influencé par
Robert Bresson, qu'il admirait. Sa carrière en temps que réalisateur produit une dizaine de films, dont deux sont sélectionnés pour le Festival de Cannes, mais n'arrive jamais à obtenir un véritable succès populaire. Certains considèrent Gérard Blain comme un « anarchiste de droite », de par son anticonformisme éthique. Il crée une polémique avec le film Pierre et Djemila , écrit avec Michel Marmin et Mohamed Bouchibi, lors du Festival de Cannes en 1987.
Il a été marié avec les actrices
Estella Blain (1953 à 1956),
Bernadette Lafont (1957 à 1959), et avec Monique Sobieski (1960 à ?) et Marie-Hélène Bauret (1985 à 2000). Il a eu cinq fils de ses différentes unions, dont deux morts en bas âge. Les autres, Paul, Régis et Pierre, travailleront avec lui sur ses films.