Müzisyen bir aileden gelen Gülsin Onay 1954 yılında İstanbul’da doğdu. On iki yaşında Ulvi Cemal Erkin vasıtasıyla "Harika Çocuklar" yasasından faydalanarak Paris Konservatuarı'na gönderildi. Konservatuarını piyano ve oda müziği dallarında birincilikle bitirdi.

Hocası Ahmet Adnan Saygun’dur. Gülsin Onay, gerek konser programlarından gerekse kayıtlarından eksik etmediği Ahmet Adnan Saygun eserlerini önemli orkestralar eşliğinde sayısız ülkede seslendirmiştir. Sanatçı, kendisine adanmış olan Saygun'un 2. Piyano Konçertosu ile Stuppner ve Tabakov'un konçertolarının dünya prömiyerlerini gerçekleştirdi. Saygun'un yanı sıra Hubert Stuppner 2. Piyano Konçertosunu, Jean-Louis Petit Gemmes ve Muhittin Dürrüoğlu-Demiriz Bosphorus isimli piyano eserlerini Gülsin Onay’a ithaf etmişlerdir. Ünlü virtüöz Marc-Andre Hamelin Gülsin Onay için Prelude ve Denis Dufour ise Avalanche'ı bestelemiştir.

Bugüne kadar dünyanın belli başlı tüm müzik merkezlerinde dinleyicilerle buluşan piyanist Gülsin Onay, Dresden Staatskapelle, İngiliz Kraliyet Filarmoni, Philharmonia Orkestrası, İngiliz Oda Orkestrası, Japon Filarmoni, Münih Radyo Senfoni, Saint Petersburg Filarmoni, Tokyo Senfoni, Varşova Filarmoni, Viyana Senfoni gibi önemli orkestralarla konserler verdi. Sanatçı Berlin, Varşova Sonbaharı, Granada, Würzburg Mozart Festivali, Newport, Schleswig-Holstein, İstanbul gibi dünyanın önemli müzik festivallerinin de eleştirmenlerce beğenilen, aranan bir ismidir.

Türkiye’de Devlet Sanatçısı ünvanına sahip Gülsin Onay, uzun yıllardır Ankara’daki Cumhurbaşkanlığı Senfoni Orkestrası’nın kadrolu solistidir. Aynı zamanda Bilkent Üniversitesi konuk sanatçısı olan Onay, Hacettep ve Boğaziçi Üniversitelerinden fahri doktora ünvanlarına layık görülmüştür. 2007’de Chopin yorumları sayesinde Polonya Hükümeti tarafından Polonya Devlet Nişanı ile onurlandırılmıştır. Aynı yıl Sevda Cenap And Vakfı Vakıf Onur Ödülü Altın Madalyası’nı almıştır. 2014 yılında 42. Istanbul Müzik Festivali Onur Ödülü’nü almıştır. Tekirdağ’da bir sokağa Gülsin Onay ismini veren Süleymanpaşa Belediyesi, 2015 yılından beri sanatçının adına “Gülsin Onay Piyano Günleri”ni düzenlemektedir.