Nasce, con il nome di Edoardo, da una agiata famiglia milanese non credente e legata alla massoneria. Ottiene la laurea in Medicina presso l'Università di Pavia discutendo una tesi della quale è relatore il premio Nobel Camillo Golgi. Negli anni universitari è alunno del convitto Ghisleri. In sintonia con questo ambiente consolida le sue idee idee positiviste e anticlericali, già assorbite nella famiglia. Portato sia allo studio che all'azione, si dedica alle lotte sociali nelle fila socialiste. Dal 1919 si dedica alla nascita dell'Università Cattolica, ateneo per il quale, nonostante le difficoltà incontrate a causa del suo modello vicino a quello degli atenei statali, ottiene il riconoscimento pontificio. L'Università Cattolica viene inaugurata il 7 dicembre 1921 ed inizia ad operare con due facoltà: Filosofia e Scienze sociali; essa ottiene il riconoscimento statale con il R.D. 2 ottobre 1924, n. 1661. Dell'Università Cattolica padre Gemelli è rettore fino alla morte, allargandosi alle facoltà di Giurisprudenza, Scienze Politiche, Lettere e Filosofia, Economia e Commercio, Magistero, nella sede di Milano, Agraria, nelle sede di Piacenza. Nell'Università padre Gemelli costituisce un moderno istituto di psicologia nel quale si sviluppano avanzate ricerche su percezione, linguaggio, personalità, applicazioni della psicologia all'orientamento professionale e alla selezione del personale. Egli fu tra i primi a cogliere pienamente la funzione sociale della psicologia.
L'attività saggistica di Gemelli abbracciò svariati campi come la teologia morale ed ascetica, la filosofia, oltre alla psicologia nel quale egli diede i contributi più rilevanti. A lui si deve l'apertura di campi di ricerca nella psicologia clinica e nell'applicazione della psicologia ai problemi sociali, all'orientamento professionale e scolastico, lo sviluppo della psicologia del lavoro, lo studio delle condizioni dei carcerati, la devianza giovanile, la psicopedagogia. Inoltre fu attivo protagonista del dibattito culturale del '900, a cui portò tra l'altro la sua personale testimonianza di sacerdote e scienziato in cui si fondevano fede e scienza. Come ultima opera Gemelli portò a compimento il suo progetto della Facoltà di Medicina a Roma, progetto lungamente meditato e che, secondo le sue parole, costituiva "il sogno della sua anima". La facoltà fu istituita ufficialmente nel 1958 e aperta nel 1961, dopo la sua morte ed essa, il Policlinico universitario Agostino Gemelli a lui intitolato e l’Università Cattolica rappresentano il lascito più tangibile dell'opera di Padre Gemelli.