Gülsin Onay begann im Alter von drei Jahren mit dem Klavierspiel und gab ihr erstes öffentliches Konzert im türkischen Rundfunk, als sie sechs Jahre alt war. Mit Hilfe eines besonderen staatlichen Stipendiums studierte sie bei Ahmed Adnan Saygun und Mithat Fenmen und anschließend in Paris, wo sie unter anderem von Pierre Sancan, Monique Haas und Nadia Boulanger unterrichtet wurde. Im Alter von 16 Jahren schloss sie ihr Studium am Pariser Konservatorium ab und gewann den prestigeträchtigen "Premier Prix du Piano". Es folgten Preise bei internationalen Spitzenwettbewerben, darunter der Marguerite Long-Jacques Thibaud (in Paris) und der Ferruccio Busoni (in Bozen). Gülsin Onays anschließende, wahrhaft internationale Karriere erstreckte sich über 80 Länder auf allen Kontinenten, von Venezuela bis Japan. Sie konzertierte in den wichtigsten Musikzentren der Welt wie dem Amsterdamer Concertgebouw, der Berliner Philharmonie, dem Wiener Konzerthaus, der Queen Elizabeth Hall und der Wigmore Hall in London, dem Salle Gaveau in Paris, der National Gallery of Art in Washington DC und dem New Yorker Miller Theater.

Als Solistin trat sie mit führenden Orchestern wie der Staatskapelle Dresden, dem Philharmonia Orchestra, dem English Chamber Orchestra, dem Royal Philharmonic Orchestra, dem Japan Philharmonic Orchestra, dem Münchner Radiosinfonieorchester, dem St. Petersburger Philharmonischen Orchester, dem Tokyo Symphony Orchestra, den Warschauer Philharmonikern und den Wiener Symphonikern auf. Zu den Dirigenten, mit denen sie zusammenarbeitete, gehören Vladimir Ashkenazy, Erich Bergel, Michael Boder, Andrey Boreyko, Jorg Faerber, Vladimir Fedoseyev, Edward Gardner, Neeme Jarvi, Emmanuel Krivine, Ingo Metzmacher, Esa-Pekka Salonen, Jose Serebrier, Vassily Sinaisky, Stanislaw Wislocki und Lothar Zagrosek. Gülsin Onay trat bei zahlreichen Festivals auf, darunter Berlin, Warschau, Granada, Mozartfest Würzburg, Newport, Schleswig-Holstein, Singapur und Istanbul.

Gülsin Onay gilt weltweit als die maßgebliche Interpretin der Musik von Ahmed Adnan Saygun, dem führenden türkischen Komponisten des 20. Jahrhunderts, dessen Werke in ihren Konzerten und Aufnahmen eine wichtige Rolle spielen und dessen zweites Klavierkonzert (das sie in der Türkei und im Ausland uraufgeführt hat) ihr gewidmet wurde. Weitere zeitgenössische Komponisten, die Gülsin Onay Werke gewidmet haben, sind Hubert Stuppner, Denis Dufour, Jean-Louis Petit, Muhiddin Dürrüoğlu-Demiriz, Marc-André Hamelin und Bujor Hoinic.

Gülsin Onays bisher über 20 eingespielte Alben veranschaulichen die Breite ihres Repertoires und ihre Interpretationskraft, mit Solowerken und Konzerten von Haydn und Mozart bis zur Gegenwart. Ihre 2007 erschienene CD mit Live-Konzertaufnahmen des 1. Klavierkonzerts von Tschaikowsky und des 3. Klavierkonzerts von Rachmaninow wurde von Kritikern und Virtuosen gleichermaßen gelobt. Im Jahr 2008 veröffentlichte CPO ihre Aufnahme der beiden Saygun-Konzerte, die von der Kritik hoch gelobt wurde. Anlässlich des 250. Geburtstages von Beethoven hat Gülsin Onay 2 CDs mit Werken des Komponisten aufgenommen. Viele ihrer Konzerte wurden im europäischen Rundfunk und Fernsehen sowie in den USA im National Public Radio übertragen. Während der Coronavirus-Pandemie 2020-2021 trat Gülsin Onay regelmäßig in den sozialen Medien auf, wo ihre per Livestream übertragenen Konzerte mehrere Millionen Aufrufe verzeichneten.

Gülsin Onay ist Staatskünstlerin in ihrem Heimatland Türkei, wo sie seit vielen Jahren offizielle Solistin des Präsidentensinfonieorchesters in Ankara ist. Sie ist “Artist in Residence" an der Bilkent-Universität in Ankara und hat die Ehrendoktorwürde der Bosporus-Universität in Istanbul und der Hacettepe-Universität in Ankara erhalten. Im Jahr 2007 wurde sie vom polnischen Staat mit einer Staatsmedaille für ihre Interpretation der Musik von Chopin geehrt. Im selben Jahr verlieh ihr die "Sevda-Cenap And" Musikstiftung ihr die prestigeträchtige Goldmedaille des Ehrenpreises 2007 verliehen. Bei den Donizetti Classical Music Awards 2011 wurde Gülsin Onay als "Pianistin des Jahres" ausgezeichnet. Im Jahr 2014 erhielt sie die Ehrenmedaille des 42. Istanbuler Musikfestivals und 2018 die Ehrenmedaille des Bodrum Musikfestivals. Seit 2015 veranstaltet die türkische Stadt Tekirdağ, in der eine Straße nach Gülsin Onay benannt wurde, ihr zu Ehren eine jährliche Konzertreihe "Gülsin Onay Piano Days".

Neben ihrer professionellen Karriere als Pianistin ist Gülsin Onay eine unermüdliche Förderin der klassischen Musik, die sich für wohltätige Zwecke, die Organisation von Veranstaltungen, die Lehre und den Rundfunk einsetzt. Seit 2003 ist sie "Botschafterin des guten Willens" für UNICEF und gibt regelmäßig Benefizkonzerte, um diese Aktivitäten zu unterstützen und bekannt zu machen. Seit der Gründung des internationalen Gümüşlük Classical Music Festival and Academy im Jahr 2004 ist sie dessen künstlerische Beraterin. Gülsin Onay legt besonderen Wert auf die Förderung junger MusikerInnen und hat bereits über 400 SchülerInnen unterrichtet. Gülsin Onay schreibt regelmäßig Beiträge für Kulturprogramme im Radio und Fernsehen und moderiert seit 2017 ihre eigene wöchentliche Sendung "Im Studio mit Gülsin Onay" im türkischen Rundfunk.