Gemma Christina Arterton nasce il 12 gennaio 1986 a Gravesend, Kent. È affetta da polidattilia, ma è presto operata; porta, infatti, ancora oggi le cicatrici dell'operazione alle mani. È cresciuta, insieme alla sorella, dalla madre a Gravesend, dopo che i suoi genitori divorziano nel '91. Gemma inizia a lavorare come venditrice di cosmetici, mentre frequenta la Gravesend Grammar School for Girls. S'iscrive poi a un corso di performance art al Miskin Theatre di Dartford, e in seguito entra alla Royal Academy of Dramatc Art con una borsa di studio completa.
Il primo ruolo professionale lo ottiene nella serie TV della BBC Capturing Mary, di Stephen Poliakoff, quando era ancora alla scuola d'arte drammatica. Nello stesso periodo debutta al Globe Theatre in una commedia di Shakespeare, nel luglio del 2007. Nello stesso anno debutta anche al cinema, nella commedia con Rupert Everett St. Trinian's, diretta da Oliver Parker, ottenendo il ruolo al posto di Sienna Miller. L'anno successivo veste i panni di Strawberry Fields nel secondo episodio del James Bond di Paul Haggis, Quantum of Solace, interpretato da Daniel Craig e diretto da Marc Foster, dove è scelta tra le oltre 1500 candidate. Nello stesso anno interpreta Elizabeth Bennet nella serie TV Lost in Austen, ruolo ridimensionato rispetto all'originale di Pride & Prejudice.
Sempre nel 2008 compare nell'Action Thriller di Guy Ritchie RocknRolla, dove recita accanto a Gerard Butler, Tom Wilkinson, Thandie Newton, Mark Strong e Tom Hardy. Nel 2009 ha una piccola parte nella commedia di Richard Curtis I love Radio Rock, ma è in La scomparsa di Alice Creed, dello stesso anno, che interpreta il suo ruolo più controverso, quello di una ragazza rapita protagonista di diverse scene di nudo. Nel 2010 è apparsa nei due Kolossal Scontro tra titani, di Louis Leterrier, affiancando Sam Worthington, Liam Neeson e Ralph Fiennes; e in Prince of Persia: Le sabbie del Tempo, di Mike Newell, interpretato da Jake Gyllenhall. Il 5 giugno 2010 si è sposata con Stefano Catelli, un commerciante italiano, in una cerimonia segreta a Zuheros, in Spagna.
In questo periodo sta lavorando sul set di Men in Black III, terzo episodio della serie fantascientifica di Barry Sonnenfeld, dove ritornano Will Smith e Tommy Lee Jones, questa volta affiancati da Josh Brolin ed Emma Thompson. L'uscita è prevista per maggio 2012. Sempre nel 2012 potrebbe riprendere il ruolo di Io nel secondo episodio di Scontro tra titani, che però è ancora in fase di sviluppo.
2011 Candidatura Orange Rising Star Award per la migliore stella emergente
2010 Candidatura Miglior attrice rivelazione per Scontro tra titani 3D
2010 Candidatura Migliore attrice in un film fantasy per Scontro tra titani 3D
2020 Produzione, Recitazione
2021 Recitazione
2017 Produzione, Recitazione
2016 Recitazione
Gemma Arterton è Sophie Straw alias Barbara Parker, una ragazza bionda e considerata troppo bella per poter essere anche divertente... eppure riuscirà a smentire le convinzioni di tutti in tv negli anni '60. Dal 2 giugno interamente disponibile su Sky Serie e NOW.
Ian McKellen, Gemma Arterton e Mark Strong guidano un cast superbritannico per il period thriller The Critic, nel cast anche Romola Garai, Ben Barnes e Leslie Manville.
Gemma Arterton e Kirby Howell-Baptiste affiancheranno Eddie Izzard e Nathan Stewart-Jarrett nella serie inglese Culprits, prodotta per Disney+.
L'attrice Gemma Arterton avrà il ruolo di Jackie Kennedy nel film 37 Heavens e il protagonista maschile sarà Guy Pearce.
Gemma Arterton aveva 21 anni quando ha interpretato la Bond girl in Quantum of Solace e ora ripensa al suo ruolo e di come alcune cose fossero davvero sbagliate.