Gülsin Onay, ilk konserini 6 yaşında TRT İstanbul Radyosu`nda verdi. 10 yaşından itibaren Ankara Devlet Konservatuarı`nda Mithat Fenmen ve Adnan Saygun gözetiminde geçen 2 yıldan sonra Ulvi Cemal Erkin`in önerisiyle Üstün Yetenkli Çocuklar Kanunu kapsamında Fransa`ya gönderildi; ailecek Paris`e yerleştiler.
Paris Konservatuvarı`nı 16 yaşında piyano ve oda müziği dallarını birincilikle bitirdi; Avrupa`da ilk konserini 18 yaşında verdi. Paris yıllarında amatör olarak tiyatro ile de ilgilendi. Konservatuar öğrenimini tamamladıktan sonra birkaç yıl Almanya`da Hannover Yüksek Müzik Okulu`nda Bernard Ebert ile çalışarak repertuarını ve üslubunu zenginleştirdi.
1979`da Margueriete Long-Jacques Thibaut (Fransa) ve 1989`da ``2Ferrucio Busoni (İtalya) ödüllerini alarak uluslararası müzik alanında başarısını kabul ettirdi.
Adnan Saygun, 2. piyano konçertosunu Onay`a adamıştır. Saygun`un eserlerinin dünya çapında en güçlü yorumcusu olarak tanınmaktadır. Ayrıca çağdaş bestecilerden Hubert Stuppner, Deniz Dufour, Jean-Louis Petit ve Muhiddin Dürrüoğlu-Demiriz sanatçıya eser ithaf etmiştir.
Gülsin Onay, 1987 yılında devlet sanatçısı ünvanı aldı; 1988`de Boğaziçi Üniversitesi tarafından kendisine fahri doktor ünvanı verildi. 2003 yılında UNICEF Türkiye Milli Komitesi tarafından İyi Niyet Elçisi seçildi. Polonya hükümeti tarafından başarılı Chopin yorumları nedeniyle Polonya Devlet Nişanı ile ödüllendirildi.
Eski eşi müzik profesörü Ersin Onay ile yaptığı evliliğinden olan bir oğlu (kemancı Erkin Onay) vardır. Matematik profesörü Tony Scholl ile evlidir.