Действительный тайный советник (с 1709). Из древнего княжеского рода. Сын окольничего князя Фёдора Фёдоровича Долгорукова (?-1664) от брака с Анной Владимировной Ляпуновой (?-1664), дочерью московского дворянина В.П. Ляпунова. Получил домашнее образование. В возрасте 14 лет пожалован в стольники. При формировании царём Петром Алексеевичем потешного Преображенского полка был зачислен туда капитаном. Принял участие в Азовских походах 1695—1696. В 1698 пожалован в комнатные стольники и награжден званием наместника Ростовского. В 1700 назначен генерал-адъютантом царя.
С началом Северной войны 1700—1721 выполнял ряд дипломатических поручений царя Петра I. В 1700 был отправлен в Польшу с тайным поручением к королю Августу II. Основной его задачей было привлечь, а затем удержать Польшу в составе антишведского Северного союза. 15.01.1701 при участии Долгорукова был заключён союзный договор с Августом в Биржах, вслед за тем в ноябре 1701 он назначен чрезвычайным посланником при дворе польского короля. В 1704 добился подписания Нарвского союзного договора России и Польши. Когда в 1706 король Швеции Карл XII занял Варшаву и принудил Августа II отказаться от престола, Долгоруков вернулся в Россию. В 1708, после измены малороссийского гетмана И.С. Мазепы он был отправлен в город Глухов, где руководил выборами нового гетмана и настоял на избрании преданного России И.И. Скоропадского (ноябрь 1708). В июне 1709 во главе отряда русских войск разбил отряд шведского генерала Крузе близ Жукова, а две недели спустя отличился в Полтавской битве, препятствуя со своим отрядом соединению главной армии короля Карла XII с гарнизоном осадных укреплений. За это в июле 1709 получил чин действительного тайного советника и несколько деревень. Сопровождал царя Петра I в поездке в Торунь (на встречу с Августом II) и Мариенвердер (на встречу с королём Пруссии Фридрихом I), заведуя дипломатической перепиской. В октябре 1709 пожалован орденом Св. Апостола Андрея Первозванного и вновь был назначен послом в Польшу. После возвращения в Варшаву уладил конфликт между Августом II и сторонниками ставленника Карла XII, Станислава Лещинского. Добился от польского правительства возобновления «Вечного мира» 1686 и союзного договора 1704. Поддерживал ориентирующиеся на Россию группы польской шляхты. В 1712 Долгоруков был отозван из Варшавы, но в 1715 вновь возвратился туда. Несмотря на крайнюю неустойчивость внутриполитического положения в Польше, враждебные интриги шведской и поддерживавшей её французской дипломатии, Долгоруков успешно выполнял свою миссию. Заботы его об интересах России и православия возбудили против него такую ненависть польского духовенства и шляхетства, что в 1721 он по собственной просьбе был отозван из Варшавы и назначен сенатором (по другим данным, повелено присутствовать в Сенате 15.12.1717). Скончался в С.-Петербурге на 66-м году жизни; похоронен в Александро-Невской лавре.
По словам князя П.В. Долгорукова, «князь Григорий Фёдорович, муж ума обширного, ума тонкого и острого, души самой возвышенной... был одним из замечательнейших русских дипломатов». От брака с княжной Марией Ивановной Голицыной (ум. после 1731 монахиней), дочерью боярина князя И.А. Голицына, имел детей: княжну Александру Григорьевну, замужем за генерал-поручиком В.Ф. Салтыковым (братом царицы Прасковьи Фёдоровны, матери императрицы Анны Ивановны), в 1730 после развода постриженную в монахини; князя Алексея Григорьевича (ум. 1734), действительного тайного советника, сенатора, члена Верховного тайного совета, умершего в ссылке; С.Г. Долгорукова; князя Ивана Григорьевича (1680—1739), тайного советника, сенатора, казнённого; князя Александра Григорьевича, лейтенанта флота.
