Desde siempre le gustó la interpretación y la música, sacándose un dinero gracias a su trabajo cantando en el metro (donde incluso su propia madre le dio limosna), o presentándose a unas audiciones. Cursó sus estudios en Madrid, y antes de terminar el Bachillerato lo abandonó ante la posibilidad que le ofreció en 1983 Jaime Chávarri —a través de Cristina Rota— de trabajar en una película, pues le encomendó el papel juvenil principal de Las bicicletas son para el verano —su primer papel—[1], basado en la obra teatral de Fernando Fernán Gómez. En ella Gabino debía expresar cierta inocencia que a lo largo del metraje acabaría rota debido a los horrores de la guerra civil española y la inminente detención de su padre, ideológicamente afín a la II República. Su interpretación recibió algunas críticas negativas.
A pesar de ello Fernando Fernán Gómez le dio otra oportunidad tres años más tarde en El viaje a ninguna parte (1986), donde encarnó al hijo del personaje interpretado por José Sacristán, un muchacho que desaprueba la profesión de su progenitor —cómico—, y que se ve obligado a acompañarlo durante toda la gira, en el transcurso de la cual llega a aceptar la figura paterna. También intervino ese mismo año en la serie de televisión Segunda enseñanza (1986).
En 1988 rodó "Amanece que no es poco" (Candidata al Goya por mejor guion original, entre otras categorías) de José Luis Cuerda. Se trata de una película coral de humor absurdo, con un guion surrealista repleto de situaciones de humor delirante en un pueblo de la Sierra de Albacete. Gabino pasó en la Sierra del Segura todo el rodaje, incluso llegó a quedarse más tiempo disfrutando de las fiestas de los pueblos y de sus gentes. Tanto es así que en 2014 la localidad albaceteña de Socovos, en agradecimiento por el tiempo que ha pasado allí y las buenas palabras que le dedica al pueblo y a su gente siempre que tiene ocasión, fue invitado a la apertura de la Feria de agosto y él mismo pudo descorrer la cortinilla de la "Calle de Gabino Diego" en su honor.[2]
Tras el éxito obtenido, Imanol Uribe le permitió encarar un personaje histórico, Felipe IV, en "El rey pasmado" (1991), con la que obtuvo su segunda candidatura a los Premios Goya. Su composición de rey botarate, que despertaba a los placeres del sexo gracias al encuentro placentero con una prostituta, lo consolidó en el panorama nacional.
El segundo tuvo lugar en "Belle Époque", donde volvió a coincidir con Fernando Fernán Gómez. En ella Gabino se hizo cargo del personaje más extremo de la obra: un joven zángano desvalido, castrado afectivamente por una madre posesiva y carlista que le provoca cierta tendencia a una autorrepresión que al final de la obra da paso a una liberación relativa relacionada con su intento de matrimonio con una de las hijas de un hombre mayor, Manuel.
Precisamente esa imagen débil le permitió acceder a un importante papel en "Los peores años de nuestra vida" (Emilio Martínez Lázaro, 1994), si bien en esta ocasión ofreció una ligera variante: Gabino seguía siendo el débil del cine español, pero también un ser con facilidad de palabra, generoso, lúcido y que sabía aceptar la derrota; un joven alérgico al trabajo estable, que se ganaba la vida como profesor de inglés y acostumbrado a ser ese alguien especial con quien sueñan las mujeres. La película supuso para él su cuarta candidatura a los Premios Goya, además de quedar asociado con Jorge Sanz —el actor que interpretaba a su hermano— en el resto de su trayectoria.
En 1996 se convirtió en Santi, amante de Diana (Penélope Cruz) en "El amor perjudica seriamente la salud", donde se ponía al servicio de esta a lo largo de treinta años de la historia de España, que su director, Manuel Gómez Pereira, contempla con cierta ironía. En ella interpretó a un hombre perdidamente enamorado de una niña-bien a la que quería complacer y por cuyo amor abandonaría su puesto de trabajo como botones para convertirse en un piloto militar. Constantemente humillado, Diana le anunciaba su paternidad al mismo tiempo que le impedía desarrollarla en efecto. Por esas fechas nació su hija.
En 1998 protagoniza "La hora de los valientes" (Antonio Mercero), en la que su aparentemente insignificante personaje se transformaba en una persona heroica: Gabino quería desprenderse de su imagen preestablecida, cuestionándola desde sus cimientos más básicos. Su interpretación de Manuel, un joven republicano que salva los cuadros de Goya de los bombardeos de la guerra civil española fue recompensada con una candidatura al Premio Goya a la mejor interpretación masculina protagonista.
Desde 2005, el actor ha enfocado su carrera hacia el teatro con obras como El apagón (2012) o Una noche con Gabino Diego (2013) esta última, muy alabada por la crítica.
