Gérard Ernest Zéphirin Blain est né à Paris, dans le 12e arrondissement, le 23 octobre 1930.

Il est issu d'une famille parisienne, mais sa jeunesse est marquée par la difficulté lorsque son père, architecte en chef de la ville de Paris, quitte le foyer familial. Ses relations avec sa mère et sa sœur deviennent alors conflictuelles.

Il quitte l'école très tôt, à 13 ans, sans même avoir son certificat d'études primaires, et mène une vie difficile, une sorte d'enfant de la rue, dans le Paris de l'Occupation. Il effectue un bref passage dans les Forces Françaises de l'Intérieur (FFI) à l'âge de 14 ans, déclarant plus tard qu'il s'était toujours considéré en état de légitime défense avec la société depuis son enfance.

Avec un physique souvent comparé à celui d'Alain Delon ou de James Dean, il débute sa carrière par hasard en faisant de la figuration dans des films comme Les Enfants du paradis (1944).

Son véritable démarrage a lieu en 1955 dans Voici le temps des assassins de Julien Duvivier, aux côtés de Jean Gabin. Il est ensuite remarqué par les auteurs de la Nouvelle Vague.

Il figure au générique du premier court-métrage de François Truffaut, Les Mistons, et est propulsé sur le devant de la scène par Claude Chabrol, notamment dans Le Beau Serge (1957) et Les Cousins (1958) où il donne la réplique à Jean-Claude Brialy.

Son insatisfaction grandissante face aux rôles qu'on lui propose l'amène à passer derrière la caméra au début des années 1970. Il réalise son premier film, Les Amis, en 1971, qui est bien accueilli par la critique et sélectionné au Festival de Cannes. Son cinéma, très influencé par Robert Bresson qu'il admirait, est marqué par l'exigence et l'austérité, et se veut un cinéma d'épure.

Son œuvre de réalisateur aborde souvent des thèmes autobiographiques et sociaux, notamment dans Un enfant dans la foule (1975) qui reflète son enfance malheureuse. Il réalise au total neuf films, dont Le Pélican (1974), Le Rebelle (1980) et Pierre et Djemila (1987).

Il a été marié plusieurs fois, notamment aux actrices Estella Blain (1953-1956) et Bernadette Lafont (1956-1959), puis à Monique Sobieski (1960-1966) avec qui il a eu un fils, Paul. Il épouse enfin Marie-Hélène Bauret (1966-2000) qui lui donne deux autres fils, Régis et Pierre.

Gérard Blain est décédé des suites d'un cancer le 17 décembre 2000 à Paris, à l'âge de 70 ans. Il est inhumé au cimetière de Saint-Cloud dans les Hauts-de-Seine.