Густав фон Вангенхайм родился 18 февраля 1895 года в Висбадене, Германская империя, в семье актёров Минны Мегерс и Эдварда фон Винтерштайна.
В 1912 году окончил «Школу актёрского мастерства Макса Рейнхардта» у которого с 1903 года выступал его отец. Играл в театрах Вены, Дармштадта и Берлина. Во время Первой мировой войны сражался в Бельгии, был ранен и демобилизован.Густав фон Вангенхайм в роли епископа Пьера Кошона в театральной постановке «Святая Иоанна» по пьесе Бернарда ШоуВ 1916 году начал сниматься в немых фильмах.
В 1920 году исполнил главную роль в фильме «Ромео и Джульетта в снегу» , а в 1921 сыграл свою самую знаменитую роль, Томаса Хаттера в легендарном фильме Фридриха Вильгельма Мурнау — «Носферату. Симфония ужаса» .
В этом же году Вангенхайм вступил в Коммунистическую партию Германии, где познакомился с будущей женой — Ингой, дочерью работницы швейной фабрики.
В 1923 он поставил любительскую пролетарскую пьесу «Массовая пантонима против войны» , которая вскоре была запрещена.
В 1929 году вышел последний немой фильм с участием Вангенхайма — «Женщина на Луне» режиссёра Фрица Ланга.
В 1931 году Вангенхайм основал коммунистическую театральную труппу «Die Truppe "31» . «Die Truppe "31» выпустила три пьесы, автором и режиссером которых был Вангенхайм, в 1933 году труппу закрыли по приказу нацистского режима.
В марте 1933 года Густав фон Вангенхайм покидает Германию и направляется в Париж, откуда позже уезжает в Москву. Вангенхайм живёт в гостинице Центральная вместе с семьёй и пишет пьесы.
В 1936 году на киностудии «Межрабпомфильм» со съёмочной группой, состоявшей из других беглецов от нацистского режима, поставил пропагандистский фильм «Борцы» .
В том же году написал донос на двух своих коллег, Каролу Неер и её мужа Анатоля Беккера, обвинив их в троцкизме. Неер умерла в лагере в 1942 году, Беккер был расстрелян. 11 мая 1939 года у Вангенхайма рождается сын — будущий шансонье и актёр Фридель фон Вангенхайм.
В 1940 году Густав фон Вангенхайм получает советское гражданство. После вступления СССР в войну начал работать в политическом отделе РККА, в котором разрабатывал листовки и программы для фронта, которые транслировались через громкоговорители.
В 1941 году он был эвакуирован на два года в Ташкент.
В июне 1943 года смог вернуться в Москву и продолжить работу.Лето 1945 года возвращается в Восточную Германию, а в 1960 Густав фон Вангенхайм разводится с женой.
В 1961 году умирает отец актёра, Эвард фон Винтерштайн. 5 августа 1975 года Густав фон Вангенхайм ушёл из жизни. Похоронен на Центральном кладбище Фридрихсфельде.