Gemma Arterton urodziła się w Gravesend w Wielkiej Brytanii jako córka sprzątaczki Sally i spawacza Barry'ego Artertona. Ojciec wcześnie porzucił rodzinę, matka wychowywała ją oraz jej siostrę, Hannah Jane, samotnie. Uczęszczała do szkoły średniej dla dziewcząt w rodzinnym Gravesend i przez pewien czas zajmowała się sprzedażą kosmetyków do makijażu. Po ukończeniu tejże szkoły przeszła kurs gry aktorskiej w Teatrze Miskin w Dartford, następnie otrzymała stypendium do Królewskiej Akademii Sztuki Dramatycznej w Londynie. Jeszcze w trakcie studiów otrzymała swoją pierwszą profesjonalną rolę w filmie pt."Opowieść Mary" Stephena Poliakoffa. Jej debiut sceniczny miał miejsce w szekspirowskiej sztuce "Stracone zachody miłości" w Globe Theatre w Londynie, w lipcu 2007, jeszcze przed zdobyciem dyplomu. W tym samym roku debiutowała na wielkim ekranie główną rolą, w komedii "Dziewczyny z St. Trinian". O rolę Kelly, Arterton walczyła m.in. z Sienną Miller. W 2008 roku pojawiła się w nowej odsłonie przygód Jamesa Bonda "007 Quantum of Solace". Wybrana spośród 1500 kandydatek, Gemma wcieliła się w postać Strawberry Fields, za którą zebrała pochlebne recenzje. W tym samym roku otrzymała rolę Elizabeth Bennet w serialu "W świecie Jane Austen". Od 2008 roku była twarzą zapachu "Bond Girl 007" marki Avon, dla której promowała już wcześniej inne kosmetyki. Kontrakt z tą firmą uniemożliwił jej stanie się obok Kate Moss twarzą marki Rimmel. W roku 2010 Arterton powróciła na deski teatru i zadebiutowała na West Endzie w sztuce "The Little Dog Laughed". Zagrała także postać Catherine Earnshaw w "Wuthering Heights". Ten rok obfitował również w role w wysokobudżetowych produkcjach z Hollywood tj. "Starcie Tytanów" oraz "Książę Persji: Piaski Czasu". Gemmę można było także podziwiać w filmie "Tamara i mężczyźni", gdzie zagrała tytułową rolę. Prywatnie Arterton związana była przez półtora roku z Johnem Nolanem, technikiem zajmującym się efektami specjalnymi, z którym rozstała się w 2008 roku. Następnie przez pół roku spotykała się z hiszpańskim jeźdźcem, Eduardo Munozem. 5 czerwca 2010 wyszła za mąż za Stefano Catelliego.