À l'âge de vingt mois, alors que ses parents s'inquiètent des difficultés respiratoires de leur garçon, une mucoviscidose est diagnostiquée, ce qui ne l'empêchera pas d'embrasser une carrière artistique par la suite. En 1997, Grégory Lemarchal est champion de France avec la formation de rock sauté Mambo Rock, catégorie cadet laché alors qu'il n'a que 13 ans. Il était également sportif car jeune il a fait du basket-ball à Challes-les-Eaux;son père étant entraineur de basket professionnel.
En 1999, 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 faire la première partie des spectacles d'Hervé Vilard ou Gilbert Montagné.
En mai 2003, Grégory ne jouera finalement pas dans la comédie musical Adam et Eve, où il devait tenir le rôle d'Adam.
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 (reprise de la chanson Io so che tu de Davide Esposito). La chanson Je deviens moi est une reprise adaptée, l'original allemand est Liebe ist alles par Rosenstolz, sorti en 20045. L'album est certifié double disque d'or en France.
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 Julie Zenatti, Patrick Fiori, et d'autres grands noms de la chanson française. Il se rendait souvent dans les hôpitaux, accompagné entre