Fille d'un galeriste, Géraldine Pailhas, qui se destine d'abord à une carrière de danseuse, apparaît à 16 ans dans un clip des Gipsy Kings. Figurante dans 3 places pour le 26 en 1988, elle joue dans deux films sortis en 1991, l'un léger -Les Arcandiers-, l'autre plus grave -La Neige et le feu. Dans cette histoire d'amour en temps de guerre, elle campe une infirmière qui fait fondre les coeurs, rôle qui lui vaut un César du Meilleur espoir en 1992. La même année, IP5 de Beineix lui permet de donner la réplique à Montand, tandis que sa participation, en 1995, à Don Juan DeMarco, aux côtés des icônes Johnny Depp et Marlon Brando, conforte son image d'actrice romantique.

Face à Depardieu, autre légende, la jeune première dévoile une belle maturité dans Le Garçu de Pialat en 1995. Elle s'illustre dans des films de groupe (Les Randonneurs, La Parenthèse enchantée) où elle se singularise par son côté à la fois doux et déterminé. Emouvante en épouse délaissée mais digne dans L'Adversaire (2002) et Une vie à t'attendre (co-écrit par son compagnon Christopher Thompson), elle est tout aussi crédible en petite amie teigneuse dans 5 x 2 d'Ozon et en call-girl de luxe dans Le Coût de la vie - prestation pour laquelle elle est nommée au César du Meilleur second rôle en 2004.

Vue chez Doillon et Klapisch, Géraldine Pailhas, devenue une actrice de premier plan, navigue sans complexe entre cinéma d'auteur (Les Revenants, Je pense à vous) et divertissement grand public (Les Chevaliers du ciel, Le Prix à payer). Si son mélange d'esprit et de glamour -et son débit de mitraillette- semble la poser en héritière de Catherine Deneuve, c'est pour camper la fille de Miou-Miou que Thierry Klifa fait de nouveau appel à elle en 2006 (Le Héros de la famille). En 2008, elle porte de bout en bout l'attachant Didine, et fête ses retrouvailles avec la bande des Randonneurs.

En 2009, on la retrouve dans Espion(s), un film de genre très personnel -paradoxe qui n'est sans doute pas pour déplaire à cette actrice éclectique. L'année suivante, elle se fait blonde pour incarner une productrice de musique qui prend sous son aile un jeune groupe dans Bus Palladium, première réalisation de son compagnon Christopher Thompson. Elle aime décidément s'entourer de visages familiers puisqu'elle le retrouve en 2011 dans Les Yeux de sa mère qu'il scénarise, film qui marque par ailleurs sa troisième collaboration avec son ami et réalisateur Thierry Klifa.

Durant les années 2010, Géraldine Pailhas est à l'affiche du Paradis des bêtes, qui traite des violences conjugales. Variant les genres, elle joue dans les comédies Divin Enfant et SMS, le thriller Disparue en hiver et les comédies dramatiques Le Dos rouge et La Nouvelle vie de Paul Sneijder. Parallèlement, elle retrouve Ozon pour Jeune et Jolie et Tout s'est bien passé. Côté séries, la comédienne trouve des rôles forts dans Marseille et OVNI(s). Début 2022, elle tourne sous la direction de son compagnon Christopher Thompson dans la comédie romantique Tendre et saignant, aux côtés d'Arnaud Ducret.