Gustav Schönleber, Wegbereiter des deutschen Impressionismus, setzte sich in seinen Werken hauptsächlich mit Landschaftsdarstellungen auseinander, in denen er Binnengewässer und Küsten in den Niederlanden, Deutschland und Italien wiedergab. 

Nach Abschluss seiner schulischen Laufbahn begann er ein Maschinenbaustudium am Polytechnikum in Stuttgart. Sein Vetter erkannte sein künstlerisches Talent und empfahl ihm ein Studium an der privaten Kunsthochschule von Adolf Lier (1826-1882) in München. Dort studierte er von 1870-73 in der dortigen Landschaftsklasse. Er lernte Hermann Baisch (1846-1894) kennen, mit dem ihn eine enge Freundschaft verbinden sollte. Während dieser Zeit unternahm er zahlreiche Studienreisen nach Frankreich, Italien und in die Niederlande.
1880 wurde er an die Großherzogliche Akademie der Bildenden Künste in Karlsruhe berufen, wo er bis zu seinem Lebensende unterrichtete. Zu seinen Schülern gehörten Friedrich Kallmorgen (1856-1924), Raoul Frank (1867-1939), Gustav Kampmann (1859-1917), Paul Müller-Kaempff (1861-1941), Gerhard Bakenhus (1860-1939), August Groh (1871-1944), Eduard Schloemann (1888-1940), Max Frey (1874-1944) und Ernst Einer (1867-1955).
1888 ließ er sich neben der Akademie seine „Villa Schönleber“ errichten, in der sich heute Teile der Akademie befinden. In dieser Zeit trat er auch dem Deutschen Künstlerbund bei.
Schönleber genoss schon zu Lebzeiten künstlerische Bekanntheit, sodass er zu der bevorzugten Auswahl zeitgenössischer Künstler, die das Komitee zur Beschaffung und Bewertung von Stollwerckbildern dem Kölner Süßwarenproduzenten Ludwig Stollwerk zur Beauftragung für Entwürfe vorschlug, gehörte.
Er erhielt den Auftrag von der Regierung des Großherzogtums Baden das Naturwunder der Laufenburger Stromschnellen zeichnerisch festzuhalten bevor diese gesprengt werden sollten.
Neben Ausstellungen in bedeutenden Galerien, wie der Galerie Eduard Schulte in Berlin und Galerie Thannhauser in Berlin und München, bestückte er auch die Weltausstellung in Paris 1878, Wien, Melbourne, Chicago und St. Louis. Gemeinsam mit Max Liebermann (1847-1935) und Fritz von Uhde (1848-1911) vertrat er  Deutschland auf der ersten Biennale 1895.
1910 erhielt er seine erste Einzelausstellung in der Galerie von Fritz Gurlitt (1854-1893) in Berlin.
Ehrungen wurden ihm ebenfalls zu teil. Unter anderem wurde er 1882 Ehrenmitglied der Münchner Kunstakademie und erhielt 1911 den Preußischen Pour le Merité Orden.
Mit seinen gekonnten Naturdarstellungen, die detailreich seine Umgebung wiedergaben, galt er als „Meister der Naturbeobachtung“.