Nació en Bremen, y estudió en Bonn y Berlín antes de graduarse en medicina en la Universidad de Gotinga.
En 1840 comenzó a coleccionar y estudiar aves exóticas, que luego donó al Museo de Bremen de Historia Natural.
Describió algunas de estas especies por primera vez.
En 1852, fundó la publicación Journal für Ornithologie.
La abreviatura Hartlaub se emplea para indicar a Gustav Hartlaub como autoridad en la descripción y taxonomía en zoología.