Si formò nella bottega dei Borzone, rimanendo influenzato dalle opere di Rubens e Van Dyck. Nel 1657, dopo aver perso la sua famiglia a causa della peste, si trasferì a Roma dove divenne membro dell’Accademia di San Luca. A partire dal 1664 entrò nell’orbita di Bernini, con il quale l’amicizia e la collaborazione si interruppe solo alla morte di Gian Lorenzo nel 1680. Fu grazie a questo legame che Gaulli affrescò i pennacchi della cupola di Sant’Agnese in Agone, lavorò in Sant’Andrea al Quirinale e San Francesco a Ripa, e ottenne le committenze per la chiesa del Gesù, dove decorò il presbiterio, la cappella di sant’Ignazio, ma soprattutto il suo capolavoro assoluto nella volta raffigurante il Trionfo del Nome di Gesù (1674-79). Dopo essere tornato da un breve soggiorno a Genova, nel 1707 si occupò di un’altra grande volta chiesastica, quella per i SS. Apostoli con il Trionfo dell’ordine francescano.
Si affermò anche come ritrattista, arrivando a realizzare persino i ritratti dei pontefici Clemente IX e Clemente X.