Уланова родилась в семье артистов балета Мариинского театра. Отец, Сергей Уланов, впоследствии стал балетным режиссёром; мать, Мария Романова, была педагогом хореографического училища. К карьере балерины в детстве не стремилась. В 9 лет была принята в Петроградское хореографическое училище, где основными ее педагогами стали её мать — Мария Романова (у неё дочь училась первые шесть лет, а затем Агриппина Ваганова. В 1928 году Уланова окончила Ленинградское хореографическое училище. После выпускного спектакля 16 мая 1928 Уланова была принята в труппу ленинградского Театра оперы и балета (позднее Ленинградский государственный театр оперы и балета им С. М. Кирова). Первые выступления Галины Улановой на сцене Мариинского театра сразу же привлекли к ней внимание критиков. Здесь же в 1929 году в возрасте 19 лет Уланова станцевала свою первую ведущую партию — Одетту-Одиллию в «Лебедином озере».

Первые гастроли Большого театра в 1956 году в Лондоне, где Уланова танцевала Жизель и Джульетту и имела триумфальный успех, равного которому, по свидетельству зарубежных авторитетов, они не видели со времён Анны Павловой. В 1960 году, в последний раз станцевав «Шопениану», она закончила карьеру примы-балерины. Свою сценическую деятельность балерина официально прекратила в 1962 году. С 1960 года и до конца своей жизни Уланова работала в Большом театре балетмейстером-репетитором. Среди её учеников — целая плеяда звезд: Екатерина Максимова, Владимир Васильев, Нина Тимофеева, Людмила Семеняка, Нина Семизорова, Алла Михальченко, Надежда Грачёва.

Она трижды была замужем, и все трое её избранников — люди искусства: режиссёр Юрий Завадский, актёр и режиссёр Иван Берсенев, художник Вадим Рындин. У неё не было какого-либо хобби, побочных от профессии занятий. Но, конечно же, были пристрастия: «Природа для меня то же, что и музыка. Так же загадочна», — говорила балерина. «Раньше в Петербурге ходили конки. На лошадей одевали шоры, чтобы ничто их не отвлекало. Вот в таких „шорах“ я и проходила почти всю свою жизнь. Чтобы ничто не мешало работать, думать о своей профессии. Самое комфортное для меня состояние — одиночество. Обычно я не подхожу ни к кому. Если подходят ко мне, начинают говорить о театре». Она любила животных. Была строга к себе. Ранним утром — целый час своя зарядка, в которую были включены и балетные па. И на склоне лет её вес оставался тем же, что в артистические годы — 49 кг. Она всегда была элегантна, отличалась легкой изящной походкой.

Умерла 21 марта 1998 года в Москве и похоронена на Новодевичьем кладбище.