Fille du producteur de télévision Bruce Paltrow et de l'actrice Blythe Danner.

Ayant grandi dans un milieu artistique, Gwyneth Paltrow trouve rapidement sa voie. En 1990, elle joue au théâtre aux côtés de sa mère dans la pièce Picnic. Des critiques encourageantes l'incitent à abandonner ses études d'histoire de l'art pour devenir actrice à plein temps. C'est en donnant la réplique à John Travolta et Heather Graham dans Shout (1991) de Jeffrey Hornaday qu'elle effectue ses premiers pas au cinéma. La même année, elle assiste avec son père à une projection du Silence des agneaux en compagnie de Steven Spielberg et de son épouse Kate Capshaw : le cinéaste a alors l'idée de lui proposer le rôle de Wendy dans Hook, une adaptation du conte Peter Pan que le cinéaste tourne en 1991.

Gwyneth Paltrow enchaîne dès lors les rôles secondaires (Malice, Mrs Parker et le cercle vicieux ou encore Jefferson à Paris de James Ivory) jusqu'à ce que sorte en salles le thriller Seven de David Fincher en 1995. Le succès international du film, associé à son nouveau statut de petite amie de Brad Pitt, lui apporte une notoriété soudaine. Le tout Hollywood succombant à sa beauté diaphane, elle se voit dès lors cantonnée à des personnages féminins à la fois romantiques et fragiles, comme en témoignent ses prestations dans Emma l'entremetteuse (1996), De grandes espérances (1998), Du venin dans les veines (id.) et Pile ou face (id.).

En 1999, elle obtient l'Oscar de la Meilleure actrice pour son rôle d'apprentie comédienne dans Shakespeare in love. Convoitée par les duos Michael Douglas / Viggo Mortensen (Meurtre parfait) et Jude Law / Matt Damon (Le Talentueux M. Ripley), elle tombe sous le charme à la ville comme à l'écran de Ben Affleck, rencontré sur le tournage du drame sentimental Un amour infini (2001). Egalement à l'aise dans la comédie et faisant preuve d'autodérision, elle interprète une chanteuse de karaoké sous la direction de son père dans Duos d'un jour (2001), intègre La Famille Tenenbaum (2002) de Wes Anderson, devient le pur fantasme de Jack Black dans L'Amour extra large (id.) des frères Farrelly et rêve de "s'envoyer en l'air" dans Hôtesse à tout prix (2003).

S'essayant pour la première fois au fantastique en 2004, elle prête main forte au Capitaine Sky dans le film rétro-futuriste de Kerry Conran. Si les films qu'elle enchaine ensuite sont relativement vite oubliés (Proof, Scandaleusement célèbre ou The Good Night), elle revient en force en 2008 avec le blockbuster Iron Man dans lequel elle fait succomber Robert Downey Jr. ainsi que dans Two Lovers de James Gray qu'elle illumine aux cotés de Joaquin Phoenix. Victime du virus inoculé par Steven Soderbergh dans Contagion, la belle Gwyneth devient indissociable de son rôle de Pepper Potts après avoir tourné Iron Man 2 (2010), Avengers (2012) et Iron Man 3 (2013).

De plus en plus en retrait des plateaux de cinéma, la comédienne apparaît tout de même dans la comédie Charlie Mortdecai de David Koepp et reprend son personnage de Pepper Potts des lucratifs Spider-Man: Homecoming, Avengers: Infinity War et Avengers: Endgame. En parallèle, elle campe un personnage régulier dans la série Netflix The Politician. En 2025, elle incarne une actrice retraitée qui entame une relation avec Marty Mauser, interprété par Timothée Chalamet, dans le biopic Marty Supreme.