Родился в семье Сергея Михайловича Голицына, представителя древнего княжеского рода Голицыных, инженера-топографа и писателя. Мама — Клавдия Михайловна (в девичестве — Бавыкина) была седьмым ребёнком в семье кондуктора железной дороги. В семье был ещё и младший брат Георгия — Михаил.
В мае 1941 года с матерью переехал во Владимирскую область, в деревню Погост, где находилась изыскательская партия отца, затем в село Любец. Мать работала кладовщиком.
В школу пошёл в сентябре 1942 года в деревне Погост. В октябре 1945 года вместе с матерью и братом вернулся в Москву, где стал учиться в 126-й средней школе. В 1952 году окончил школу с золотой медалью. Выбирая вуз для продолжения образования, рассматривал варианты поступления в МГУ, МИФИ, МФТИ. На окончательный выбор физического факультета МГУ повлияла беседа с Г. С. Ландсбергом.
По окончании университета начал работать в Институте физики атмосферы АН СССР (РАН), мл. научный сотрудник, старший научный сотрудник, зав. лабораторией. Кандидат (1961)[3], доктор физико-математических наук (1972)[4]. Профессор (1981).
Г. С. Голицына называют одним из самых способных учеников академика А. М. Обухова[5], преемником которого он стал в качестве директора Института физики атмосферы АН СССР.
Г.С. Голицын интенсивно участвовал в формировании повестки развития науки по изменению климата. В 1982-87 и 1992-97 гг. он был членом Объединённого Научного Комитета (JSC, Joint Scientific Committee, см. World Climate Research Programme), организованного Международным Советом Научных Союзов и Всемирной Метеорологической Организацией под эгидой ООН. Этим комитетом рассматривались также погодные и другие последствия крупномасштабной ядерной войны. Г.С. Голицын первый оценил метеорологические последствия ядерной войны, в сентябре 1983 г., опираясь на опыт изучения последствий марсианских глобальных пыльных бурь.
В 1992-97 гг. был председателем Совета Международного института прикладного системного анализа (IIASA, International Institute of Applied System Analysis).
Ввел в научную практику уравнение случайных движений А.Н. Колмогорова (1934), что изложено в его статье (Успехи физических наук, 2024, стр. 86 – 96). Это позволило описать многие статистические распределения, остававшиеся эмпирическими десятки лет.
Председатель попечительского совета Свято-Димитриевского сестричества[7], 1991-2003.
Был главным редактором журнала «Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана», 1988-2023. Был членом редколлегии журналов РАН «Природа»[11]. и «Доклады РАН». Был также членом редколлегий зарубежных журналов «Tellus», «Icarus», «Geophysical and astrophysical fluid dynamics».
Автор свыше 300 научных трудов, в том числе семи монографий[12].
Динамика природных явлений. — М.: Физматлит, 2004.
Статистика и динамика природных процессов и явлений: Методы, инструментарий, результаты. — Изд. 2-е. — М.: URSS, 2013. — С. 400. — ISBN 978-5-396-00502-0.
Микро- и макромиры и гармония. — М.: Журнал «Квант», 2008.
Орден Почёта (1999) — за большой вклад в развитие отечественной науки, подготовку высококвалифицированных кадров и в связи с 275-летием Российской академии наук[14]
Премия имени Б. Б. ГолицынаРАН (2015) — за монографию «Статистика и динамика природных процессов и явлений. Методы, инструментарий, результаты»
Золотая медаль имени А. М. ОбуховаРАН (2018) — за работы, внесшие выдающийся вклад в исследования магнитной гидродинамики, разработку ряда теорий в области планетологии, теории климата, физики атмосферы и геофизики: общей циркуляции планетных атмосфер, возникновения ураганов и других интенсивных атмосферных вихрей, радиационных эффектов и тепломассообмена между океаном и атмосферой и ряда других природных процессов и явлений
Благодарность Президента Российской Федерации (2024) — за заслуги в развитии отечественной науки, многолетнюю плодотворную деятельность и в связи с 300-летием со дня основания Российской академии наук[15]
