Gustav Gulbrandsen var elev ved Trondhjems tekniske læreanstalt 1888-91 og ved Königlich Technische Hochschule Berlin 1898-99. Han praktiserte som byggmester i 1891, før han hadde forskjellige kontor- og assistentstillinger frem til 1899.

Gustav Gulbrandsen etablerte eget arkitektkontor i Kristiania i 1899, og etter bybrannen i Sandefjord år 1900 etablerte han filialkontor der. Det er fra Sandefjord man kjenner hans første arbeider; Halvorsens konditori (Christopher Hvidts plass 3), Kongens gate 9 og Kongens gate 10 (alle 1900, utført i varianter av jugendstil). Gulbrandsen utførte dessuten Stod og Steinkjer Sparebank (1902, bombet 1940) og Steinkjer folke- og middelskole (1903), begge preget av jugendstil og nybarokk.

Frem mot 1908 virket Gulbrandsen mest i Kristiania, der han de første årene for det meste utførte tilbygg, før han i 1908 tegnet "villa Kjeka", Kongsveien 74, og en villa i Solveien 26. Parallelt utførte han flere oppdrag i hjembyen Fredrikstad, som Fredrikstad Privatbank (Bjørnulfgården), Storgaten 12 (1904, jugendstil) og Rolvsøy kirke (1908), en kalket kirke i romansk stil.

Fra omkring 1910 konsentrerte Gulbrandsen sin virksomhet i Kristiania og Aker, og var her meget produktiv. Han tegnet en villa ved "Holtet hovedgaard" (Holtveien 6, 1909) i en jugendpreget nybarokk stil, og utformet de flotte leiegårdene i Bygdøy allé 51 og 51b (1910-11) i barokkpreget "frognerjugend" - et konsept arkitekt Syver Nielsen videreutviklet i stort omfang. Preg av jugend og nyklassisisme har også leiegården i Hafrsfjordsgaten 7 (1911), mens Valkyriegaten 17 og 19 (1912) er utført i sen jugend.

Blant Gulbrandsens mange villaer kan nevnes den staselige Solveien 112 (1916, nordisk nybarokk), Åsdalsveien 18 (1916), 22 og 24 (begge 1915), Nordstrandsveien 60 (1918, nasjonalromantisk laftevilla), "Skogstuen" (Alvheimveien 16 II, 1923) og den klassisistiske murvillaen i Ormøybakken 2b (1923).

Ved siden av den store mengden villaer og leiegårder tegnet også Gulbrandsen Den norske næringsmiddelfabrikk (Harbitzalléen 5, 1918).