Sin conocerse la fecha exacta de su nacimiento, parece ser que fue en el mes de abril de 1576 en Sarria (Lugo). Pérez Constanti documenta en dicha localidad al entallador Gregorio Fernández (avecindado en Sarria entre los años 1573 y 1583), que realizó una escultura de San Lázaro para la parroquia de este nombre, aventurando que sería el padre del escultor. De ser así seguiría una vocación artística familiar. Agapito y Revilla apoya también Sarria como el lugar de procedencia de Fernández, basándose en ciertos datos que proceden del testamento de María Pérez, viuda de Fernández, redactado en 1661. Declara que su marido había dejado una manda testamentaria, consistente en ciento cincuenta reales para una iglesia de Sarria, de cuyo nombre no se acordaba, cantidad que no había entregado y que ordenaba abonar. Finalmente, otro documento que hace referencia al lugar de donde procedía el escultor está firmado el 3 de enero de 1621, por el cual Bernardo de Salcedo, párroco de la iglesia de San Nicolás, de Valladolid, hace donación de una escultura del Ecce-Homo, de su propiedad, a la Cofradía del Santísimo Sacramento y Ánimas de Valladolid, la cual se hallaba en la iglesia de dicho nombre. El donante solicita en reciprocidad misas, que quería hacer extensivas a «Gregorio Fernández, escultor, vecino de la dicha ciudad [Valladolid], natural de la villa de Sarria, que hizo la imagen».
De su madre no se sabe mucho, salvo que al menos contrajo matrimonio en dos ocasiones, una de ellas sería el matrimonio del que nació Gregorio Fernández, y del otro nacería un hermanastro del escultor, de nombre Juan Álvarez, al que se le conocía como “hermano de madre” de Fernández, y que trabajó en el taller del escultor
Se ha considerado que Fernández ya llegó a Valladolid con el oficio aprendido en su Galicia natal. Pocos son los datos de la formación del artista en estas tierras. Martín González enumera dos focos escultóricos importantes en Galicia: Santiago de Compostela y Orense, destacando este ultimo, donde Juan de Angés el Joven (seguidor de Juan de Juni) había establecido su taller a partir de 1587. También en Orense se encontraba el taller del escultor portugués Alonso Martínez, moviéndose en un estilo romanista. En el taller de este último se formó el principal maestro de Galicia del primer tercio del siglo XVII, Francisco Moure (+1636). Se considera que Fernández se formara en el foco de Orense y que pudo conocer a estos escultores, pero no que sean sus maestros. El mismo profesor Martín González también recoge la presencia en Galicia del ensamblador Juan de Muniátegui, formulando la hipótesis que pudiera influir en la decisión de Fernández de venir a Valladolid. Cuando Gregorio Fernández contrata en 26 de octubre de 1606 las esculturas del retablo mayor de la iglesia de San Miguel, actúa como fiador Juan de Muniátegui.
Hacia 1600 llega Fernández a Valladolid, tenía entonces 24 años, entrando en el taller de Francisco de Rincón que era el escultor más prestigioso de la ciudad en ese momento y cuyo taller se encontraba en la Puentecilla de Zurradores (actual calle Panaderos). Trabaja en el taller de Rincón como oficial o asociado, pero también les unía amistad, ya que a la muerte de Francisco Rincón (+16 de agosto de 1608) Fernández se hizo cargo de la tutela de su hijo mayor, Manuel de Rincón, al que enseñaría el oficio de escultor.
Gregorio Fernández contrajo matrimonio en 1605 con María Pérez Palencia. De ella se sabe que sus padres eran vecinos de Madrid y tenía tres hermanos más; por la procedencia de la familia de su esposa se piensa que antes de asentarse en Valladolid, pasaría una época en Madrid. En 1605 nacía su hijo Gregorio, que fue bautizado el día 6 de noviembre de 1605. En junio de 1606 el matrimonio vivía en la Calle de Sacramento (hoy Paulina Harriet) y sus hijos fueron bautizados en la Parroquia de San Ildefonso, templo muy vinculado a la familia del escultor. Dos años más tarde del nacimiento de su primer hijo, nacía su hija Damiana, que fue bautizada el 21 de octubre de 1607. Sin embargo, esta vida familiar se trunca cuando el 20 de junio de 1610 fallece su hijo Gregorio. En estos años ha trabajado en el Palacio Real de Valladolid, el Convento de San Diego, ha contratado y realizado el retablo mayor de San Miguel, el grupo procesional de San Martín y el Pobre, y el Yacente de San Pablo, para el Duque de Lerma, entre otras obras. Su fama se acrecienta y comienzan a llegar gran número de encargos, que hará incrementar su taller. En torno a 1608 están en su taller como oficiales Agustín Castaño (+1621), Pedro Jiménez y Pedro Zaldívar.
El 22 de septiembre de 1621, su hija Damiana contrae matrimonio con Miguel de Elizalde, escultor procedente de Olazagutía (Navarra), que trabajaba en el taller de Fernández, donde la conocería. Matrimonio que duró pocos meses, ya que Miguel de Elizalde fallecía el 3 de febrero de 1622. La joven viuda, contrajo segundo matrimonio con Juan Pérez de Laniego (o Lanciego), quien gracias a la dote del matrimonio pudo costearse ser doctor en medicina. De este matrimonio nacieron Teresa y José Pérez de Laniego, este último profesó en el convento de San Benito de Oña. A partir de 1624 la salud de Fernández comienza a deteriorarse, episodios de falta de salud en el escultor que se repiten en 1625 y 1627, una enfermedad de la que no se conoce muchos datos y que hacía que el escultor dejase de trabajar, pero en cuanto se recuperaba un poco volvía al trabajo interrumpido. En cuanto a su familia, se abre un período más o menos tranquilo que durara pocos años, ya que el 8 de marzo de 1630 fallece Juan Álvarez, hermanastro de Gregorio Fernández, de oficio también escultor y ayudante de Fernández. Ese mismo año, el estado de salud de Fernández se agrava considerablemente, este deterioro de su salud ya será constante hasta la fecha de su muerte. Además, Damiana vuelve a quedar viuda, y el 7 de febrero de 1633 se casaba con el escultor zaragozano Juan Francisco de Iribarne, que trabajaba en el taller de Fernández. Fruto de este enlace es el nacimiento de Gregorio Francisco, único hijo del matrimonio, el día 21 de noviembre de 1633; pero este matrimonio tampoco duró mucho, ya que Iribarne era sepultado el 10 de noviembre de 1635. El cuarto matrimonio, ya tras la muerte de Gregorio Fernández, fue con el mercader de lencería Juan Rodríguez Gavilanes, celebrado el 21 de septiembre de 1636, de este matrimonio nacerían ocho hijos.
La fecha de defunción de Fernández fue dada a conocer por Ceán Bermúdez. El fallecimiento tuvo lugar el martes 22 de enero de 1636. Fernández había adquirido en propiedad una sepultura en 1622 en el Convento del Carmen Calzado, para el que había realizado diversos trabajos. Hizo testamento y codicilo, ante el escribano Miguel Becerra. En 1721 era adquirida la sepultura por Francisco de Nogal y doña Teresa de las Dueñas. Según Floranes, al abrirse la sepultura de Fernández para colocar a los nuevos propietarios, el cuerpo del escultor se hallaba entero. Manuel Canesi precisa el emplazamiento (a la entrada del templo) de la sepultura de Fernández: «En el cuerpo de la iglesia junta a la pila del agua bendita, baxo de una lossa, yace aquel gran varon estatuario Gregorio Hernández, gallego de nación, especialissimo en su facultad, como lo publican tantas hechuras de sus manos como están repartidas en Valladolid y otras provincias ». Por su parte, Ponz y Floranes hablan del retrato de Gregorio Fernández que estaba colocado “en la pared del crucero, que corresponde al altar de Nuestra Señora del Carmen”.
Por la muerte de Fernández se oficiaron 100 misas, una cuarta parte de las mismas en la Parroquia de San Ildefonso (de la que fue mayordomo en 1629). Al morir Gregorio Fernández, su viuda, María Pérez, pasó a vivir con el matrimonio Rodríguez Gavilanes, en la Calle de la Panadería, al que dotó con dos mil ducados, pero con obligación de “darle de comer, vestir y curar enfermedades”. En el testamento de 1661, deja a Damiana por heredera suya, haciendo declaración de los bienes que poseía, entre ellos una casa en la calle del Sacramento y parte de la de Madrid. Falleció María Pérez el 16 de marzo de 1663, siendo enterrada en la sepultura familiar