Die in Dörphof, Schleswig-Holstein, geborene Müller-Trimbusch studierte Englisch und Geschichte in Kiel und Oxford. 1971 kam sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin an die Universität Stuttgart. Am 2. Mai 1990 wählte der Gemeinderat Müller-Trimbusch als erste Frau in die Stuttgarter Bürgermeisterriege. 1998 und 2006 wurde sie in ihrem Amt bestätigt. 2010 beendete sie ihre Aufgabe als Bürgermeisterin mit Vollendung des 65. Lebensjahres.
In die Amtszeit der FDP-Politikerin fiel die Neuordnung des Sozialamts und die damit verbundene Gründung des Eigenbetriebs leben & wohnen (ELW). Zukunftsweisend waren ihre Initiativen zur Weiterentwicklung der Kindergärten zu Kindertagesstätten mit Bildungsauftrag sowie zum Ausbau der Kernzeitbetreuung. Das Konzept „Einstein in der Kita“ wurde mehrfach ausgezeichnet.
Zur Förderung eines verbesserten und neuen Miteinanders der Generationen hat Gabriele Müller-Trimbusch das Konzept der Generationenhäuser umgesetzt, das später bundesweit übernommen wurde. Weiterhin hat sie sich für die Gründung der Stuttgarter Hospize eingesetzt und die Hospizbewegung unterstützt. Während ihrer Amtszeit wurde die FamilienCard als familien- und kinderfreundliches Angebot und die Bonuscard als ein in der Bundesrepublik Deutschland einmaliges Angebot eingeführt. Müller-Trimbusch hat zudem die städtische Behindertenpolitik im Sinne der Inklusion maßgeblich verändert und vorangebracht, des Weiteren die Drogen- und Behindertenpolitik.
Vor großen Herausforderungen stand ihr Referatsbereich am Anfang der 1990erJahre, als über 10 000 Bürgerkriegsflüchtlinge aus dem ehemaligen Jugoslawien und Asylbewerber im Stadtgebiet untergebracht und versorgt werden mussten. Bis 2011 war sie Mitglied der Härtefallkommission Baden-Württemberg.
Gabriele Müller-Trimbusch hatte und hat zahlreiche Ehrenämter inne. Sie war langjährige Vorstandsvorsitzende der Stiftung Bundespräsident-Theodor-HeussHaus, die das Leben und Wirken des ersten Bundespräsidenten erforscht. Außerdem gehört sie dem Vorstand der Theodor-Heuss-Stiftung an. Sie war Vorsitzende des Sozialausschusses des Städtetags Baden-Württemberg und Mitglied im Stiftungsrat „Familie in Not“. Nach wie vor ist Gabriele Müller-Trimbusch ehrenamtliche Richterin am Bundessozialgericht in Kassel. Ebenso engagiert sie sich weiterhin als Zweite Vorsitzende des Theaters Rampe, als Vorstandsmitglied der Württembergischen Bibliotheksgesellschaft sowie in der Gesellschaft für Christlich-Jüdische Zusammenarbeit, deren Sprecherin sie lange war. Seit 2005 ist sie Ehrenmitglied der Cannstatter Kübler, im gleichen Jahr wurde eine Orchidee nach ihr benannt: „Phalaenopsis Gabriele Müller-Trimbusch“.
Für ihr Engagement ist Gabriele Müller-Trimbusch in vielfacher Weise geehrt worden. So wurde sie 2007 zum „Officier de L'Ordre national du Mérite“ ernannt, die Auszeichnung verlieh ihr der damalige französische Staatspräsident Jacques Chirac persönlich. 2008 erhielt sie den AMSEL-Förderkreis Ursula Späth-Preis. 2016 erhielt Gabriele Müller-Trimbusch die Otto-Hirsch-Auszeichnung, die alljährlich von der Stadt Stuttgart gemeinsam mit der Gesellschaft für Christlich-Jüdische Zusammenarbeit
Stuttgart und der Israelitischen Religionsgemeinschaft verliehen wird. 2017 wurde Gabriele Müller-Trimbusch mit dem Verdienstorden des Landes Baden-Württemberg ausgezeichnet.