Gary Trousdale grandit à La Crescenta, au nord de Glendale en Californie, avec le projet initial de devenir architecte avant de se réorienter vers l'animation faute d'affinités avec les mathématiques. Il étudie trois ans au California Institute of the Arts avant d'être engagé en 1984 par Walt Disney Productions comme animateur d'effets sur Taram et le Chaudron magique. Il travaille ensuite comme artiste de storyboard sur Oliver et Compagnie puis La Petite Sirène, avant d'être renvoyé du projet Bernard et Bianca au Pays des Kangourous aux côtés de Kirk Wise, à la suite d'un désaccord créatif. Les deux hommes rebondissent en coréalisant le court métrage Cranium Command pour le parc EPCOT, ce qui leur ouvre les portes de la réalisation de La Belle et la Bête en 1991. Trousdale poursuit sa collaboration avec Wise sur Le Bossu de Notre-Dame en 1996 puis Atlantide, l'empire perdu en 2001, avant de rejoindre DreamWorks Animation en 2003, où il travaille notamment sur Madagascar et Adieu Grand-Mère.
Son passage par le storyboard sur des productions aussi marquantes que La Petite Sirène a nourri sa compréhension fine du rythme et de la mise en scène de l'animation musicale Disney. Sa complicité artistique avec Kirk Wise, née à CalArts puis consolidée chez Disney, constitue le socle de l'ensemble de sa carrière de réalisateur. Le désir de la direction du studio, à l'époque de Jeffrey Katzenberg, de rivaliser avec la comédie musicale de Broadway a également profondément influencé sa vision de la mise en scène animée.
Gary Trousdale se concentre traditionnellement sur la mise en scène, la direction des prises de vue de référence en action réelle et la supervision des effets spéciaux, en complément du travail de caractérisation mené par Kirk Wise. Ensemble, ils cherchent à donner à leurs adaptations une ambition littéraire et une sophistication narrative rares dans l'animation grand public de leur époque. Cette exigence se traduit par des séquences d'ouverture spectaculaires et une attention particulière portée à la construction dramatique de l'ensemble du récit.
La Belle et la Bête, son tout premier film en tant que réalisateur, obtient en 1992 une nomination historique à l'Oscar du meilleur film, une première pour un long métrage d'animation. Le film reçoit également un prix de la Los Angeles Film Critics Association saluant son excellence artistique.
Kirk Wise reste son collaborateur le plus étroit, les deux hommes ayant coréalisé l'intégralité de leurs longs métrages d'animation majeurs chez Disney. Le producteur Don Hahn accompagne également l'ensemble de leur trilogie de films d'animation, de La Belle et la Bête à Atlantide, l'empire perdu.
La transformation et la rédemption de personnages initialement présentés comme monstrueux ou marginaux traversent l'ensemble de ses films coréalisés avec Kirk Wise. L'adaptation ambitieuse de grands récits littéraires ou historiques, portée par une esthétique musicale spectaculaire, structure également la majeure partie de sa filmographie.