Gary Lockwood nasceu em Van Nuys, Califórnia. Ele frequentou a Universidade da Califórnia em Los Angeles com uma bolsa de futebol.
Ele começou sua carreira como dublê de cinema e substituto de Anthony Perkins, antes de sua estreia como ator em 1959, em um pequeno papel não creditado em Warlock (1959). Ele também apareceu como policial em The Case of the Romantic Rogue (1959). Duas séries surgiram no início de sua carreira, Follow the Sun (1961), ambientado no Havaí da ABC (1961), em 1961-1962, o escalou como um escritor de revista aventureiro em Honolulu. Em 1961, ele apareceu como um cowboy de rodeio apaixonado por uma cantora de 18 anos, interpretada por Tuesday Weld, na Cherie da ABC (1961). Ele então estrelou com Jeff Bridges em My Daddy Can Lick Your Daddy (1963).
Em 1964, ele estrelou como um jovem tenente da Marinha dos EUA na série da NBC, The Lieutenant (1963), que foi produzida pelo criador de Star Trek: The Original Series (1966), Gene Roddenberry, e The Man from U.N.C.L.E. (1964) criador, Norman Felton.
Ele então estrelou outra série de televisão da NBC chamada Kraft Mystery Theatre (1961), ao lado de Sally Kellerman, com quem ele voltaria a aparecer no segundo piloto de Star Trek: The Original Series (1966), Where No Man Has Gone Before (1966), como "Tenente Comandante Gary Mitchell", e Kellerman como o psiquiatra da nave, "Dra. Elizabeth Dehner", que desenvolveram superpoderes.
Em 1966, ele estrelou o episódio, Reunion (1966), de The Legend of Jesse James (1965), estrelado por Christopher Jones. No mesmo ano, ele apareceu como "Danny Hamil" no episódio, Day of Thunder (1966), do drama da NBC, The Long, Hot Summer (1965), baseado vagamente nas obras de William Faulkner, além de aparecer como " Jim Stark "no episódio de duas partes" The Raid "do Gunsmoke da CBS (1955), com James Arness.
Ele co-estrelou com Stefanie Powers (sua esposa na época) no episódio Love and the Phone Booth / Love and the Doorknob (1969), do ABC's Love, American Style (1969).
Em 1968, ele foi escalado como co-estrela do lendário filme de ficção científica do diretor Stanley Kubrick, 2001: A Space Odyssey (1968), estrelando como "Dr. Frank Poole".
Em 1983, ele fez um papel de ator convidado como "Alex Carmen" no episódio de Hart to Hart (1979), Emily by Hart (1983), estrelado por Robert Wagner, e [sua agora ex-esposa] Stefanie Powers.
Entre 1959 e 2004, ele teve papéis em cerca de quarenta filmes teatrais e feitos para a TV e fez quase oitenta aparições na TV, incluindo várias como vilão em Barnaby Jones (1973) da CBS-TV, estrelado por Buddy Ebsen.
