Entrato nel 1783 nel convento dei camaldolesi di San Michele di Murano, ordinato sacerdote nel 1787, pubblicò nel 1799 Il trionfo della Santa Sede e della Chiesa contro gli assalti dei novatori, difesa del potere temporale e dell'infallibilità papale contro febroniani e giansenisti.

Chiamato a Roma nel 1814, ricoprì varie cariche e divenne vicario generale dei camaldolesi (1823). Creato da Leone XII cardinale con il titolo di San Callisto (1826) e prefetto di Propaganda Fide, candidato al conclave del 1829, fu eletto papa dopo la morte di Pio VIII, in un lungo conclave (14 dicembre 1830 - 2 febbraio 1831) dominato dagli “zelanti”.

All'inizio del suo pontificato sentì il contraccolpo della rivoluzione di luglio in Francia, con le insurrezioni di Bologna, Pesaro, Urbino, Fano, Fossombrone, Sinigaglia e Osimo, che decretarono la fine del potere temporale dei Papi e proclamarono in Bologna lo Statuto costituzionale provvisorio delle province italiane.

Ma le armi austriache e i Sanfedisti, a cui il papa ricorse, ristabilirono in breve il potere pontificio. Uomo colto (era un orientalista e un teologo), era però impari al suo compito di sovrano temporale: respinse infatti qualsiasi progetto di ammodernamento delle invecchiate strutture del suo Stato, seguendo una linea di intransigenza antiliberale che stimolò le opposizioni e provocò una serie di torbidi (moti di Romagna del 1843 e 1845, ecc.).

Il suo pontificato fu caratterizzato dalla condanna del cattolicesimo liberale del Lamennais (enciclica Mirari vos, 1832) e delle dottrine del tedesco G. Hermes, sostenitore di un indirizzo teologico a base razionalista (breve del 26 settembre 1835), e da aspri contrasti con alcuni paesi europei (rottura delle relazioni diplomatiche con Spagna e Portogallo per la legislazione anticlericale dei governi di Maria Cristina e Maria da Gloria, 1835- 1840; frizione con la Prussia per la questione dei matrimoni misti; scontro con il governo russo, che mirava a riportare all'ortodossia la chiesa rutena greco-uniate).

Gregorio XVI impresse un vivo impulso all'azione missionaria cattolica, specie nell'America del Nord e in Inghilterra. Ricostruì la basilica di S. Paolo fuori le Mura, fondò in Roma l'Orto botanico, il Museo etrusco e una Scuola di agricoltura.

Gregorio XVI mori a Roma il 1° giugno 1846. Il 17 dello stesso mese salì sul soglio Pio IX.