Gwyneth Paltrow est la fille du producteur Bruce William Paltrow et de l'actrice Blythe Katherine Danner. Son frère, Jake Paltrow, est metteur en scène.
Elle prend ses premières leçons de comédie à l'âge de onze ans, bien que ses parents souhaitent voir sa fille épouser un autre métier. Elle suit des études, tout d'abord à New-York, puis à Santa Barbara, où elle étudie l'Histoire de l'art.
En 1990, elle joue au théâtre, aux côtés de sa mère, au Williamstown Theater. Les critiques la poussent à devenir actrice. Elle fait ses débuts au cinéma l'année suivante, en 1991 dans Shout, face à John Travolta et Heather Graham. Lors d'une projection du silence des agneaux avec Steven Spielberg et sa femme Kate Capshaw, le réalisateur lui propose de tenir le rôle de Wendy dans son Hook ou la revanche du capitaine crochet.
Suivent des rôles de seconds plans (Malice en 1993, Mrs Parker et le Cercle vicieux en 1994, Jefferson à Paris en 1995), jusqu'à Seven, en 1995, qui la fait connaître du grand public. Sa liaison avec la star du film, Brad Pitt, y est aussi pour quelque chose. Mais le public a du mal à la considérer autrement que comme la petite amie de la star. Il faudra attendre 1999 et le film Shakespeare in love pour qu'enfin elle soit reconnue pour son talent. Le film lui rapportera l'Oscar de la meilleure actrice.
Sur le tournage d'Un amour infini elle rencontre Ben Affleck, avec qui elle aura une liaison.
En 2002, elle est la vedette, grimée en obèse, de la comédie l'amour extra large, et l'année suivante d'Hôtesse à tout prix.
Elle apparaît ensuite dans le film de science-fiction Capitaine Sky et la monde de demain. En 2008, elle tient le premier rôle féminin dans Iron Man.
 
En 2002, elle rencontre le chanteur Chris Martin lors d'un concert de son groupe, Colplay. Le mariage a lieu en 2003.
 
Elle compte de nombreux amis du show business: Madonna, Steven Spielberg, Valentino, Beyoncé, Liv Tyler, Cameron Diaz, Simon Pegg, Stella McCartney, Helena Christensen,....