Gianni Morbidelli est issu d'une famille profondément ancrée dans le monde des sports mécaniques. Son père, Giancarlo, était un constructeur de motos de compétition ayant remporté plusieurs titres mondiaux dans les années 1970. Cependant, ce contexte familial n'a pas orienté Gianni vers la moto, mais vers le sport automobile.

Initié au karting dès l'enfance, Gianni se révèle rapidement doué. Il remporte ses premières victoires et gravit rapidement les échelons de la compétition, se dirigeant naturellement vers la monoplace. Après une période d'apprentissage en Formule Ford, il fait ses débuts en Formule 3 italienne en 1987. Lors de sa deuxième année en F3, il remporte sa première victoire, mais sa saison est émaillée par de nombreux accidents et il ne termine qu'à la cinquième place du championnat. Il se rattrape en 1989 en remportant six courses, ce qui lui permet de remporter le titre de champion de F3 italienne.

En 1990, il décroche un contrat de pilote-essayeur avec Ferrari et participe au championnat de F3000.

Cependant, début mars, Emmanuelle Pirro, pilote titulaire chez Dallara en F1, est alité à la suite d'une hépatite. L'écurie italienne engage alors Gianni pour les deux premiers Grands Prix de la saison. Non qualifié aux Etats-Unis, il franchit la ligne d'arrivée à la 14e place lors du Grand Prix du Brésil. De retour, en F3000, il se classe troisième à Pau avant de remporter la victoire sur le circuit d'Enna-Pergusa. Il termine le championnat à la cinquième place avant d'être appelé par Minardi pour remplacer Paolo Barilla pour les deux derniers Grands Prix. La petite Scuderia qui sera équipée d'un moteur Ferrari en 1991, engage également Gianni pour la saison suivante.

Gianni alterne entre de solides performances et des abandons. Sur quinze Grands Prix, il abandonne huit fois, mais il termine à quatre reprises dans les dix premiers. Il se classe notamment septième lors du Grand Prix de France. Mais le point d'orgue de sa saison est sans doute son arrivée chez Ferrari en fin d'année. Suite au licenciement d'Alain Prost, c'est lui qui le remplace pour le Grand Prix d'Australie. Malgré une préparation limitée, il se qualifie à la huitième place. Il parvient à rester en piste et termine sixième lors de cette course qui se déroule sous des trombes d'eau et qui est stoppée après seulement 14 tours.

Après une première saison prometteuse, l'Italien, toujours chez Minardi, va connaître une saison contrastée en 1992. Associé à une monoplace Minardi équipée d'un moteur Lamborghini, il a dû faire face à une voiture peu performante et peu fiable. Les résultats n'ont pas été au rendez-vous et il a souvent été contraint à l'abandon. Malgré ces difficultés, il a réussi à montrer quelques signes de brillance, se qualifiant en milieu de grille à plusieurs reprises et terminant à une belle septième place lors du Grand Prix du Brésil.

Sans sponsor suffisamment riche, il perd sa place et se retrouve sans volant en F1 pour la saison 1993, mais reste pilote-essayeur chez Ferrari. Gianni participe alors au championnat italien de voitures de tourisme avec Alfa Romeo.

En 1994, Gianni est de retour en F1 grâce à Jackie Oliver qui lui propose un baquet chez Footwork. La monoplace FA15 manque de fiabilité et le pilote enchaîne les abandons lors des huit premières courses. Cependant, niveau performance, elle est déjà un cran au-dessus de la Minardi, et il se classe cinquième en Allemagne, puis sixième en Belgique.

La saison suivante est mitigée, son volant est menacé par des pilotes disposant de plus de budget. Bien qu'il soit toujours qualifié hors des dix premiers, il parvient à marquer un point en terminant sixième lors du Grand Prix du Canada. Cependant, Gianni est remplacé par Max Papis après seulement sept Grands Prix. Engagé dans le championnat de tourisme italien, il remporte deux victoires sur le circuit d'Enna-Pergusa. Il est cependant rappelé pour courir les trois derniers Grands Prix. Lors de la dernière manche en Australie, il profite des abandons devant lui pour monter sur le podium, à deux tours de Damon Hill.

De nouveau sans volant pour 1996, Gianni garde un pied en F1 en devenant pilote essayeur chez Jordan. Cette année-là, il court exclusivement en voitures de tourisme sur une BMW, terminant à deux reprises sur le podium, lors de sa course favorite, à Enna-Pergusa.

En 1997, il devient pilote-essayeur pour Ferrari et Sauber (motorisée par Ferrari). A la suite de l'éviction de Nicola Larini, il se retrouve au volant de la C16 pour les Grands Prix d'Espagne (14e) et du Canada (10e). Dix jours avant le Grand Prix de France, il est victime d'une très grosse sortie de piste lors d'essais privés et se casse le bras. Il est alors remplacé par Norbeto Fontana. Il fait son retour en Hongrie, puis est de nouveau victime d'un accident et se blesse de nouveau le bras lors des essais du Grand Prix du Japon. Il est contraint de déclarer forfait et ne remontera plus dans un baquet de F1.

En 1998, il part disputer le championnat BTCC sur une Volvo S40, terminant au mieux quatrième à Thruxton. En 2000, il passe au championnat européen sur BMW. Il remporte cinq victoires, deux en Hongrie, deux à Misano et une à Novo Mesto, et se classe troisième au championnat. En 2001, il remporte une nouvelle victoire sur le circuit d'Estoril, avant une saison 2002 plutôt morose. À partir de 2004, il court le championnat de FIA GT sur une Ferrari. En 2007, il remporte le titre de champion dans le Superstars Championship. Il a de nouveau remporté le titre en 2008 et 2009, puis en 2013, avant de mettre un terme à sa carrière fin 2019.