Ugolino nasceu em Anagni, na região do Lácio, pertencente à nobre família dos condes de Segni, a mesma linhagem que já havia dado à Igreja o grande papa Inocêncio III, de quem era parente próximo. Recebeu esmerada educação nas Universidades de Paris e Bolonha, destacando-se por sua profunda formação teológica e jurídica. Foi elevado a cardeal em 1198 e, em 1206, tornou-se cardeal-bispo de Óstia, exercendo diversas e importantes missões diplomáticas ao longo de décadas antes de sua própria eleição ao papado.

Após a morte de Honório III, em 1227, o cardeal Conrado de Urach foi inicialmente eleito, mas declinou da tiara papal; os demais cardeais então elegeram Ugolino por unanimidade, em 19 de março daquele ano. Já bastante idoso e considerando-se, segundo suas próprias palavras, "na casa dos noventa anos, senão perto dos cem" ao final de sua vida, aceitou o cargo com relutância, adotando o nome de Gregório IX em homenagem ao mosteiro de São Gregório ad Septem Solia, onde se encontrava no momento de sua eleição. Herdou plenamente as tradições reformistas de Gregório VII e de seu parente Inocêncio III, dando continuidade com igual zelo à política de afirmação da supremacia papal.

O eixo central e mais dramático de seu longo pontificado foi o conflito intermitente e implacável travado contra o imperador do Sacro Império Frederico II. Já em 1227, Gregório IX excomungou o imperador por sucessivos adiamentos em cumprir sua prometida participação na cruzada — Frederico já havia postergado sua partida por oito ou nove vezes anteriores, e desta feita retornara ao porto apenas três dias após zarpar, alegando doença. Quando Frederico finalmente partiu para a Terra Santa, em 1228, e conseguiu recuperar Jerusalém por meio de hábeis negociações diplomáticas com o sultão egípcio, a situação paradoxal de um imperador excomungado libertando a Cidade Santa gerou embaraço considerável para o próprio papado. As tensões diminuíram temporariamente, mas ressurgiram com violência redobrada em 1239, quando Gregório IX excomungou Frederico pela segunda vez, acusando-o de ambições territoriais sobre toda a Itália, incluindo os próprios Estados Pontifícios; o conflito armado que se seguiu levou o imperador a interceptar navios que transportavam prelados a um concílio convocado pelo papa em Roma, e em 1241 o arcebispo de Salzburgo chegou a declarar publicamente Gregório IX como "o anticristo" — retórica extrema que ilustra a intensidade daquela disputa entre os dois maiores poderes da cristandade medieval.

Além dessa duradoura contenda política, Gregório IX deixou legado institucional de enorme alcance histórico: promulgou as célebres "Decretais Gregorianas" (1234), compilação sistemática do direito canônico que permaneceria como referência jurídica fundamental da Igreja por séculos, e instituiu formalmente a Inquisição Papal, ampliando os poderes conferidos a Konrado de Marburgo para investigar heresias em toda a Alemanha — instrumento cujas consequências históricas seriam profundas e, sob perspectiva atual. Foi ainda amigo pessoal e protetor de São Francisco de Assis, cuja canonização presidiu em 1228, e apoiou decisivamente as ordens mendicantes, franciscana e dominicana, além de resolver, através da bula "Parens Scientiarum" (1231), grave conflito entre a Universidade de Paris e as autoridades locais.

Faleceu em Roma, em 22 de agosto de 1241, com as tropas imperiais de Frederico II ainda acampadas nas proximidades da cidade — conflito que permaneceria sem solução definitiva por anos após sua morte.