Urmează școala primară la București, iar studii liceale la Liceul Teoretic „Mihail Kogălniceanu” din Vaslui și Liceul „Spiru Haret” din București între anii 1916-1922. În anul 1923 intră ca student la Facultatea de Matematică la Universitatea din București. Părinții săi sunt însă de părere ca o persoană cu aptitudinile lui matematice trebuie neapărat să devină inginer.
În anul 1924 intră ca student la Politehnică, secția construcții, deși o chemare mai puternică îl menține legat de Facultatea de Matematică, unde îi are ca profesori pe Dimitrie Pompeiu, mentorul său, Gheorghe Țițeica, Traian Lalescu, Anton Davidoglu. Așa se face că Grigore C. Moisil a fost în același timp student al Politehnicii și al Universității din București. Interesul pentru matematică devine prioritar astfel că în anul 1929, își susține teza de doctorat în matematică „Mecanica analitică a sistemelor continue", în fața unei comisii conduse de Gheorghe Țițeica și având ca membri pe Dimitrie Pompeiu și pe Anton Davidoglu. Această teză este publicată, tot în 1929, la editura Gauthier-Villars din Paris și va fi apreciată de savanții Vito Volterra, Tullio Levi-Civita, Paul Lévy. În 1930 pleacă la Paris, unde studiază la Sorbona cu mari matematicieni și participă intens la viața științifică cu note remarcate de profesori. În anul 1931 susține examenul de docență, cu lucrarea „Sur une classe de systèmes d'équations aux dérivées partielles de la Physique mathématique". Pleacă la Roma cu o bursă de studii Rockefeller, și studiază între 1931 și 1932 cu matematicianul Vito Volterra.
În 1932 se reîntoarce în țară, unde devine profesor provizoriu la Universitatea din Iași în 1932, apoi Conferențiar universitar în 1935, și Profesor universitar în 1939. Locuiește timp de 10 ani în Iași, legat în mod deosebit de profesorul Alexandru Myller și de biblioteca creată de acesta. Ține primul curs de algebră modernă din România, „Logica și teoria demonstrației”, la Universitatea din Iași. În paralel începe un șir de lucrări despre logicile matematicianului polonez Jan Łukasiewicz. Cercetările sale de logică au stat la baza unei puternice școli de matematică în țară și peste hotare (Argentina, Iugoslavia, Cehoslovacia, Ungaria). În perioada ieșeană realizează o operă vastă cu idei inovatoare în care se întrezărește concepția lui despre matematică și tehnica lui personală de mânuire a instrumentului matematic, făcând apropieri între idei foarte îndepărtate, utilizând noțiuni din domenii complet deosebite.
În anii 1950 devine pasionat de domeniul informaticii. Pe vremea aceea, dicționarul oficial de filosofie, tradus din limba rusă și publicat în 1953, descria domeniul ciberneticii ca "o știință burgheză reacționară îndreptată împotriva clasei muncitoare". În ciuda acestei atitudini guvernamentale, Moisil și-a folosit influența științifică să încurajeze oamenii de știință români în studiul domeniului calculatoarelor. În această perioadă publică Incercari Vechi Si Noi în Logica Neoclasica, 1953; Teoria Algebrica a Mecanismelor Automate, 1959; și Circuite cu Tranzistori, 1961. Aceste cărți au fost traduse în mai multe limbi, inclusiv în rusă și cehă.
Moisil a sprijinit realizarea primelor calculatoare românești, contribuind la instalarea primului calculator de construcție românească în 1957 la Institutul de Fizică Atomică. În aceeași perioadă Moisil a avut și inițiativa importantă de a crea un Centru de Calcul la Universitatea din București. Astfel, Universitatea din București a devenit una dintre primele zece universități din lume care aveau un centru de calcul.
A avut contribuții remarcabile la dezvoltarea informaticii și la formarea primelor generații de informaticieni. În anii 1960, a început să țină cursuri de logică matematică și la alte facultăți din afara Universității din București, inclusiv la Politehnica din București, de unde a recrutat și a pregatit inițial ca cercetători pe viitorii oameni de știință Paul Cristea, Petre Dimo, Ion Filotti, și Gheorghe Mărâi. De asemenea, Moisil este cel care a avut ideea introducerii liceelor și facultăților de informatică în România, idee pusă în practică de prietenul său Mircea Malița, Ministru al Invățământului.