Тайный советник (с 1.07.1828). Из древнего княжеского рода. Второй сын капитана 2-го ранга князя Ивана Сергеевича Гагарина (1752—1810) от брака с княжной Марией Алексеевной Волконской (1753—1804). Родился в Москве. Образование получил в Московском университетском благородном пансионе, который окончил с золотой медалью. В июне 1797 записан на службу юнкером в Коллегию иностранных дел, а в октябре 1798 назначен переводчиком в Московский архив Коллегии иностранных дел. В мае 1802 назначен состоять при российской миссии в Вене, а в мае 1805 переведен в Константинополь. 31.12.1805 произведён в надворные советники. Во время войны с Францией 1806—1807 состоял при главнокомандующем генерале от кавалерии бароне Л.Л. Беннигсене и в 1807 награждён орденом Св. Владимира 4-й степ. Во время мирных переговоров с Францией в Тильзите (июнь 1807) состоял при российском уполномоченном кн. Я.И. Лобанове-Ростовском. 8.08.1807 произведён в коллежские советники. В октябре 1807 назначен секретарём российского посольства в Париже, где в октябре-ноябре 1808 состоял поверенным в делах.
В апреле 1809 пожалован в действительные камергеры и вскоре переведён в С.-Петербург в Коллегию иностранных дел. В октябре 1810 переведён на службу в Министерство финансов для особых поручений. В январе 1811 получил чин статского советника и в октябре того же года назначен статс-секретарём Государственного совета по Департаменту законов. Во время Отечественной войны 1812 Гагарин сформировал за свой счёт полк, в благодарность за это ему поведено было именоваться шефом своего полка. 6.06.1813 произведён в действительные статские советники. Обративший на себя особое внимание знаменитой Марии Антоновны Нарышкиной (возлюбленной Александра I), Гагарин в январе 1816 оставил службу и «для поправления здоровья» уехал за границу, где жил в Италии, Франции, Швейцарии и Германии. В 1822 вновь вернулся на службу в дипломатическое ведомство и в апреле того же года назначен советником российской миссии в Риме. Во время Веронского конгресса «Священного союза» (1822) состоял поверенным в делах. Во время коронации императора Николая I (август 1826) был обер-церемониймейстером, а по её окончании отправлен курьером в Рим и Неаполь. С июля 1827 по апрель 1832 чрезвычайный посланник и полномочный министр в Риме. В сентябре 1827 избран почётным членом Императорской Академии художеств. С апреля 1832 до конца жизни занимал пост чрезвычайного посланника и полномочного министра в Мюнхене (Бавария). Награждён орденами Св. Владимира 4-й степ. (11.05.1807) и Св. Анны 1-й степ. (22.08.1826). Скончался на 55-м году жизни в Мюнхене.
Гагарин был большим любителем литературы, театра и искусств. В молодости он сам выступал как переводчик и поэт, участвовал в ряде литературных журналов и в 1811 напечатал в С.-Петербурге свои «Эротические стихотворения». Он был в дружеских отношениях со многими писателями своего времени и, живя за границей, покровительствовал находившимся там русским художникам. Дружил с О.А. Кипренским, рано распознал огромное дарование в молодом тогда ещё К.П. Брюллове. Брюллов был так привязан к Гагарину, что во время тяжёлой болезни в 1835 решил составить завещание, по которому оставлял ему все свои произведения. Александр Тургенев писал о нём: «Я восхищаюсь его письмами, в которых вижу благотворное влияние климата на здоровье и на самый характер; великих воспоминаний на воображение; умственных занятий, чуждых всего мелочного, на ум; произведений искусств на вкус его и даже на самый слог». Коллекционировал живопись, скульптуру, рисунки.
От брака (с 1809) с Екатериной Петровной Соймоновой (1790—1873), дочерью сенатора, действительного тайного советника Петра Александровича Соймонова, имел 5 сыновей: князя Григория Григорьевича (1810—1893), обер-гофмейстера, известного художника, зятя Н.А. Долгорукова; князя Евгения Григорьевича (1811—1886); князя Льва Григорьевича (1818—1872); князя Феофила Григорьевича (1820—1853); князя Александра Григорьевича (1827—1895).
