Родилась 8 января 1910 г. (по новому стилю) в Петербурге в артистической семье. В 1928 г. окончила Ленинградское хореографическое училище, в котором занималась первые шесть лет у своей матери М. Ф. Романовой, затем у А. Я. Вагановой, известнейшего педагога.
После окончания училища поступила в Театр оперы и балета имени С. М. Кирова (с 1992 г. Мариинский театр). Дебютировала в сложнейшей партии Одетты-Одилии в балете П. И. Чайковского «Лебединое озеро». В 1941 г. Уланова стала лауреатом Сталинской премии (это звание присуждалось ей также в 1946,1947 и 1950 гг.).
В 1944 г. балерину пригласили в Москву, и она стала солисткой Большого театра. Уланова танцевала на его сцене до 1960 г., создав незабываемые образы как в классическом русском, так и в зарубежном балетном репертуаре.
Балерина обращалась и к творчеству современных ей композиторов. Так, Уланова потрясающе воплотила на сцене образ Джульетты в балете С. С. Прокофьева «Ромео и Джульетта».
В 1951 г. Галине Сергеевне присвоили звание народной артистки СССР. Её талант был признан во всём мире. Когда в 1956 г. Большой театр впервые выехал на гастроли в Лондон, Уланова снискала триумфальный успех в партиях Жизели (в одноимённом балете А. Адана) и Джульетты.
Она единственная балерина, которой при жизни установили памятники (в Ленинграде и Стокгольме).
Последним балетом, в котором танцевала Уланова, стала «Шопениана» на музыку Ф. Шопена. Уйдя со сцены, продолжала работать в Большом театре уже как педагог-репетитор. Среди её учеников — Е. Максимова, В. Васильев, Л. Семеняка и многие другие. А. Н. Толстой назвал Уланову «обыкновенной богиней».
Умерла 21 марта 1998 г. в Москве.
Мой лебедь белый, всегда молчаливый, Ты без песен в заливе скользишь день целый. Сторож верный снов эльфов беспечных, Круг свой мерный свершаешь ты вечно. - Б. Э.Григ, сл. Г.Ибсена «Лебедь»