Gemma Arterton naît en Angleterre où elle est élevée par sa mère. Elle entre au lycée privé pour filles de Gravesend où elle suit des cours de théâtre avant de donner libre cours à sa passion à la Royale Academy of Art de Londres. La jeune actrice décroche d'ailleurs son premier rôle à l'écran en 2007, pendant ses études, dans un téléfilm de la BBC réalisé par Stephen Poliakoff, Capturing Mary.

La même année, sa carrière au cinéma est lancée : elle interprète l'un des premiers rôles de la comédie britannique St. Trinian's aux côtés de Rupert Everett. En parallèle, elle se voit confier le rôle-titre de la mini-série Tess of the D'Urbervilles. En 2008, Gemma Arterton poursuit son ascension, notamment à l'affiche de RockNRolla de Guy Ritchie aux côtés d'acteurs confirmés tels que Gerard Butler ou encore Mark Strong. Ce film lui ouvre les portes de Hollywood : elle est alors choisie pour interpréter l'une des James Bond Girls de Quantum Of Solace en 2008 et elle incarne la déesse Io dans la superproduction Le Choc des Titans ainsi que le rôle féminin du très attendu Prince of Persia : les sables du temps aux côtés de Jake Gyllenhaal.

La jeune anglaise garde cependant du temps pour s'échapper loin des projecteurs hollywoodiens et apparaître dans des productions indépendantes comme La Disparition d'Alice Creed, premier film du britannique J Blakeson, un huis-clos haletant où elle a pour partenaires Eddie Marsan et Martin Compston, ou encore Tamara Drewe de Stephen Frears, dans lequel elle tient le rôle-titre.

Très en vue, la comédienne continue à jouer sur les deux tableaux, alternant grosses productions américaines et films à plus petits budgets, tout en variant les genres. En 2013, elle partage avec Jeremy Renner la tête d'affiche du blockbuster fantastique et d'action Hansel & Gretel : Witch Hunters, pseudo adaptation du conte des frères Grimm. Cette même année - décidément très chargée -, elle donne la réplique à deux sex symbols (Ben Affleck et Justin Timberlake) pour le thriller Runner Runner, puis change complètement de registre en participant à la comédie musicale britannique Song for Marion.

Friand de projets atypiques, Gemma Arterton donne la réplique à Ryan Reynolds dans la comédie horrifique déjantée The Voices de Marjane Satrapi. Elle côtoie ensuite plusieurs acteurs chevronnés comme Fabrice Luchini (Gemma Bovery) et Derek Jacobi (L'Histoire de l'amour). Elle retrouve aussi Dominic Cooper en 2018 dans Une femme heureuse où elle campe une jeune femme au foyer qui cherche à changer de vie. L'année suivante, la comédienne est en tête d'affiche de la romance d'époque Vita & Virginia basée sur les lettres des romancières Vita Sackville-West et Virginia Woolf.