Gemma Arterton a faits ses études à la Gravesend Grammar School for Girls de Gravesend. Elle s'inscrit ensuite à des cours d'arts du spectacle au Théâtre Miskin de Dartford, puis en chaîne sur la prestigieuse Royal Academy of Dramatic Art de Londres, dont elle sort diplômée en 2007. Elle suivra aussi quelques leçons au Cours Florent à Paris.
Ses débuts télévisuels se font en 2007, avec le téléfilm Capturing Mary. La même année, elle est au casting du film britannique St Trinian's. En 2008, elle joue dans RocknRolla et Three and Out, avant d'être retenue devant plus de 1500 autres candidates pour être une James Bond Girl dans Quantum of Solace, apparaissant même dénudée pour les besoins du film, . Suite à ce film, on la retrouve en premier rôle féminin dans La disparition d'Alice Creed, un film où elle se met (de nouveau) à nu, au sens premier du terme, Le choc des Titans, Prince of Persia - Les sables du temps, ou bien encore Tamara Drewe. On la retrouve aussi au casting de Good Morning England et St Trinian's 2.
En 2011, elle est nominée au B.A.F.T.A. pour ses performances dans La disparition d'Alice Creed et Tamara Drewe.
 
Côté vie privée, après avoir vécu un temps avec le spécialiste de effets spéciaux Justin Moench, puis avec le cascadeur Eduardo Munoz, rencontré lors du tournage de Prince of Persia - Les sables du temps, elle s'est finalement mariée en 2010 avec Stefano Catelli.