À l'âge de vingt mois, alors que ses parents s'inquiètent des difficultés de respiration de leur garçon, une mucoviscidose lui est diagnostiquée, ce qui ne l'empêchera pas d'embrasser une carrière artistique par la suite. En 1995, Grégory Lemarchal est champion de France de rock acrobatique alors qu'il n'a que 12 ans.

En 1998, il participe à l'émission Graines de star, sans succès, mais il acquiert une certaine notoriété à Grenoble et ses environs, ce qui lui permet de contribuer aux spectacles avec des artistes de renommée comme Hervé Vilard et Gilbert Montagné.

Le 22 décembre 2004, il remporte la quatrième saison de la Star Academy, une émission de la chaîne française TF1, avec 80% des suffrages du public face à Lucie Bernardoni. Il enregistre ensuite son album Je deviens moi, réalisé par Yvan Cassar, et dont est extraite la chanson Écris l'histoire. La chanson Je deviens moi est une reprise adaptée, l'original allemand est Liebe ist alles par Rosenstolz, sorti en 2004.

L'album terminé, il part en tournée avec la Star Academy durant trois mois. En janvier 2006, il reçoit la récompense de « Révélation francophone de l'année » aux NRJ Music Awards. Du 9 mai 2006 au 26 juin 2006, il part en tournée à travers la France, la Belgique et la Suisse.

Grégory Lemarchal est amateur de chanteuses à voix, parmi lesquelles les québécoises Céline Dion et Isabelle Boulay, mais aussi de chanteurs français comme Serge Lama et Charles Aznavour. Il a aussi travaillé avec Patrick Fiori et d'autres grands noms de la chanson francaise. Il se rendait souvent dans les hôpitaux, accompagné entre autres de Liane Foly, marraine d'une association.

Vers février 2007, il annonce une pause dans sa carrière, assurant pourtant qu'elle n'était aucunement liée à sa santé mais qu'il désirait se consacrer entièrement à son second album. Début avril, il interprète Vivo per lei en duo avec Hélène Ségara lors de la première date de tournée de la chanteuse. Son état se dégrade quelque temps après et il est hospitalisé d'urgence en avril à l'hôpital de Suresnes dans l'attente d'une greffe des poumons. Il tombe dans le coma vers 8 heures le lundi 30 avril 2007 et meurt environ deux heures plus tard suite aux complications de sa mucoviscidose.

Ses obsèques ont eu lieu en la Cathédrale de Chambéry le 3 mai 2007. Il repose depuis ce meme jour au cimetière de Sonnaz (Savoie).

L'émission exceptionnelle en son hommage, « Grégory : la voix d'un ange », a été diffusée sur TF1 le soir du 4 mai, dans le but de récolter des fonds pour combattre la mucoviscidose. Plus de 6 millions d'euros de promesses de dons ont été faites.

Peu de temps après, en juin 2007, l'association Grégory Lemarchal a été déclarée par sa famille dans le but de vaincre la mucoviscidose.

Les ventes totales de l'album posthume La voix d'un ange représentent plus de 700 000 albums vendus (Cumul des six premières semaines de vente).