Gustavo Alfredo Santaolalla est né le 19 août 1951 dans le quartier de El Palomar à Buenos Aires. Il effectue ses débuts dans la musique avec le groupe Arco Iris, un des tout premiers pionniers du rock latino en Argentine. Malgré un succès local significatif, Gustavo Santaolalla quitte Arco Iris en 1975 pour marquer son désaccord avec la dérive mystique du groupe. Il participe ensuite au groupe Soluna, puis part aux Etats-Unis où il forme Wet Picnic.
Ces nouvelles tentatives ne sont pas fructueuses et Gustavo Santaolalla se tourne alors vers le travail solo. Santaolalla (1981) et Gas (1995) laissent peu de traces, contrairement au très réussi Ronroco (1998) où Gustavo Santaolalla explore les possibilités du charango dans la musique de son époque. Parallèlement, Gustavo Santaolalla devient un producteur réputé du rock en Amérique latine et centrale. Il collabore avec des artistes comme Café Tacuba au Mexique, Los Prisioneros au Chili, ou le Colombien Juanes.
Dès le début des années quatre-vingt-dix, Gustavo Santaolalla s'intéresse à la musique de film et voit plusieurs de ses titres se retrouver au générique de longs métrages. Sa première contribution significative au cinéma est la bande son réalisée pour Amours Chiennes en 2000. Sa musique est ensuite positivement remarquée dans 21 Grammes en 2003. Sa réputation est définitivement établie avec la musique du film de Ang Lee Le Secret de Brokeback Mountain en 2005, qui lui vaut un Golden Globe et un Oscar. Gustavo Santaolella reçoit un second Oscar pour la bande son de Babel en 2006.
Très éclectique, Gustavo Santaolalla continue de collaborer avec des artistes aussi différents que Kronos Quartet, Calle 13, ou Morrissey. Côté films, Gustavo Santoalalla se retrouve au générique de Dhobi Gat ou Biutiful, tous deux en 2010. C'est lui qui est choisi pour composer la musique de l'adaptation cinématographique de Sur la Route, le mythique roman autobiographique de Jack Kerouac. Sur la Route est présenté en mai 2012 au festival de Cannes et sort en CD le 15 du mois.