Cursa estudios de arquitectura en la Universidad de Montevideo (1939-1942), estudios que abandona para incorporarse al Taller de Joaquín Torres-García , donde conoce el arte moderno y las culturas arcaicas. En 1945 cofunda la revista Removedor, órgano del Taller. Junto a otros miembros del Taller viaja por Perú y Bolivia estudiando el arte precolombino. Tras la muerte de Torres-García en 1949 recorre Egipto, Sudán, Siria, Líbano, Jordania y Turquía y trabaja en diversas excavaciones arqueológicas. En los cincuenta reside en Grecia, Roma, Madrid y París, y en 1958 se instala en Nueva York. En 1962 celebra su primera individual en los Estados Unidos, en el Portland Art Museum de Oregón, en la que presenta un grupo de relieves en madera que presagian su obra posterior. Poco después da comienzo a sus Columbarios, esculturas que aluden a construcciones funerarias. A principios de los 70 se instala en Pietrasanta, en la Toscana italiana, atraído por la presencia de Jacques Lipchitz . En su obra confluyen elementos dispares que van desde el diseño urbano al arte precolombino. Ha realizado varios proyectos urbanísticos así como ilustraciones para libros y ensamblajes para juegos infantiles. Entre sus individuales pueden mencionarse Mundos de Gonzalo Fonseca, Museo de Bellas Artes, Caracas, Venezuela (1994) o Gonzalo Fonseca, Fundación César Manrique, Lanzarote (1999) y entre las colectivas Universalismo Constructivo, Museo Nacional de Bellas Artes, Buenos Aires, Argentina (1970) o Heterotopías, Museo Reina Sofía, Madrid (2000).