Aos dezoito anos de idade tornou-se secretário do embaixador de Veneza, cargo que possibilitou-o conhecer Fábio Chigi, o núncio apostólico, que o orientou nos estudos e o encaminhou para o sacerdócio.
Quando este núncio foi eleito Papa, com o nome de Alexandre VII, nomeou Gregório Barbarigo cônego de Pádua; em 1655, prelado da Casa Pontifícia e dois anos mais tarde foi consagrado Bispo de Bérgamo. Finalmente, em 1660, tornou-se cardeal.
As atividades apostólicas de Gregório Barbarigo marcaram profundamente a sua época. Dotou o seminário de Pádua com professores notáveis, provenientes não só da Itália, mas também de outros países da Europa. Fundou uma imprensa poliglota, uma das melhores que a Itália já teve, escolas populares e instituições para o ensino da religião. Num período de peste, fez o máximo na dedicação ao próximo. Cuidou para estender a assistência à saúde a mais de treze mil assistidos.
Ele morreu em Pádua no dia 18 de junho de 1697.