Родилась в Санкт-Петербурге (26 декабря 1909) 8 января 1910 года в семье танцовщиков Мариинского театра. В 9 лет была принята в Петроградское хореографическое училище, где основными её педагогами стали её мать — М.Ф. Романова, а затем А.Я. Ваганова. После выпускного спектакля 16 мая 1928 года Уланова была принята в труппу ленинградского Театра оперы и балета (впоследствии Театра имени С.М. Кирова). Уланова исполнила главные партии в таких балетах традиционного репертуара, как Спящая красавица (музыка Чайковского, 1929), Лебединое озеро (музыка Чайковского, 1929), Раймонда (музыка А.К. Глазунова, 1931) и Жизель (музыка А. Адана, 1932). Ее высшими достижениями стали партии Марии в Бахчисарайском фонтане (1934) и Джульетты в поставленном Л.М. Лавровским балете С.С. Прокофьева Ромео и Джульетта (1940).

Среди других партий, созданных Улановой, — Корали в Утраченных иллюзиях (музыка Б.В. Асафьева, хореография Р.В. Захарова, 1935), главная роль в Золушке (музыка С.С. Прокофьева, хореография Р.В. Захарова, 1945), Тао-Хоа в Красном маке (музыка Р.М. Глиэра, хореография Лавровского, 1949) и Катерина в Сказке о Каменном цветке (музыка Прокофьева, хореография Л.М. Лавровского, 1954). Танец Улановой запечатлен в кинолентах Ромео и Джульетта (1954) и Балет Большого театра (1956). 

В 1944 году Уланова начала выступать в московском Большом театре и неоднократно выезжала в составе его труппы за рубеж, в первый раз — в Лондон в 1956 году, в Париж в 1958 году и в Нью-Йорк в 1959 году. 

Свою сценическую деятельность балерина официально прекратила в 1962 году.

Заслуженная артистка РСФСР (1939).
Народная артистка РСФСР (1940).
Народная артистка Казахской ССР (1943).
Народная артистка СССР (1951).
Дважды Герой Социалистического Труда (1974 и 1980).

Умерла Галина Уланова в Москве 21 марта 1998 года. Похоронена на Новодевичьем кладбище.