Figlia del produttore Bruce Paltrow e dell'attrice Blythe Danner, con un fratello divenuto in seguito regista e con un padrino come Steven Spielberg, Gwyneth - dalla bellezza algida e dal fascino regale di una dama vittoriana - non ha mai dubitato che il proprio futuro fosse nel cinema.
Dopo aver studiato nella prestigiosa Spence Shool di New York, ha interrotto gli studi d'arte per gettarsi a capofitto nel mondo della recitazione. Ha debuttato a diciannove anni nel film Shout e ha collezionato una serie di piccoli ruoli nei primi anni '90, tra cui quello della giovane Wendy che accoglie un ormai attempato Peter Pan in Hook - Capitan Uncino. Seguono altre particine in Malice e Omicidi di provincia, ma ben presto l'eterea e raffinata Gwyneth comincia con l'essere associata a ruoli che mettono in risalto la sua bellezza d'altri tempi, come nella commedia rosa Moonlight & Valentino e nell'affresco in costume Jefferson in Paris.
Il grande pubblico, tuttavia, si accorge di lei solo dopo la partecipazione al thriller di successo Seven nel '95, il quale ha segnato anche l'incontro con il celebre ex-fidanzato Brad Pitt, che ha fatto della Paltrow, prima che attrice affermata, la donna più invidiata d'America. È soprattutto il flirt con il bell'attore, durato alcuni anni, che accresce la sua popolarità su riviste e rotocalchi scandalistici.
Gwyneth però continua a esercitare il suo talento in film in costume - l'austeniano Emma (suo primo ruolo da protagonista) e il dickensiano Paradiso Perduto - ma si cimenta anche nella commedia Tre amici, un matrimonio e un funerale. Riscuote però più successo la sua interpretazione in Sliding Doors, piccolo cult movie di fine anni Novanta, in cui il suo personaggio si sdoppia seguendo due destini alternativi. Non poteva che essere affidato a lei il ruolo che fu di Grace Kelly nel remake dell'hitchcokiano Delitto perfetto. Interpreta poi un altro ruolo torbido in Obsession, al fianco di Jessica Lange.
Tuttavia il ruolo chiave nella carriera di Gwyneth rimane quello di Viola Delesseps nel fortunatissimo film di John Madden Shakespeare in Love(1998), vincitore di sette premi Oscar, tra cui quello conferito alla Paltrow come miglior attrice. Baciata da un riconoscimento che sembra confermare la sua naturale inclinazione per ruoli che esaltano il suo fascino elitario, l'attrice prosegue la sua carriera partecipando al letterario Il talento di Mr. Ripley, dedicandosi ai romantici Bounce (in coppia con Ben Affleck) e Duet (dove si fa dirigere dal padre) e impersonando la lunare Miss Margot Tenenbaum per Wes Anderson.
Dopo aver affollato il mondo del gossip con i suoi numerosissimi flirt, che annoverano oltre a personaggi del mondo dello spettacolo (come gli attori Luke Wilson e Aaron Eckhart e il regista Walter Salles) e della musica (Bryan Adams) ma anche, da bellezza regale quale lei è, i principi Alberto II di Monaco, Felipe di Spagna e Nicholas di Grecia, la corteggiatissima Gwyneth finisce per convolare a nozze con il cantante dei Coldplay Chris Martin, mettendo al mondo due bambini.
È poi il turno della commedie: il demenziale Amore a prima svista dei fratelli Farrelly - dove con parecchia autoironia e coraggio indossa i panni di una ragazza sovrappeso, che si trasforma in longilinea agli occhi dell'innamorato protagonista -, Austin Powers in Goldmember (dove compare solo in un cameo) e Una hostess tra le nuvole con Mark Ruffalo e Mike Myers. Dopo il flop fantascientifico Sky Captain and the World of Tomorrow, ritrova John Madden nell'algebrico Proof, e recita anche nel film dedicato a Truman Capote Infamous - Una pessima reputazione e nel disturbante Correndo con le forbici in mano. La critica plaude la sua interpretazione nella minimalista storia d'amore Two Lovers a fianco del tormentato Joaquin Phoenix; mentre il pubblico la riconosce soprattutto per il ruolo della segretaria del magnate Tony Starks in Iron Man e nel suo seguito Iron Man 2, nonché come Holly Holliday nella gettonatissima serie Glee.
1999 Premio Miglior attrice protagonista per Shakespeare in Love
2006 Candidatura Migliore attrice protagonista (dramma) per Proof - La prova
1999 Premio Migliore attrice protagonista (commedia o musical) per Shakespeare in Love
2005 Candidatura Miglior bacio per Sky Captain and the World of Tomorrow
2001 Candidatura Miglior bacio per Bounce
1999 Premio Miglior bacio per Shakespeare in Love
1999 Candidatura Miglior performance femminile per Shakespeare in Love
2010 Candidatura Migliore attrice protagonista per Two Lovers
1999 Premio Migliore attrice protagonista per Shakespeare in Love
1999 Premio Miglior performance dell'intero cast per Shakespeare in Love
2015 Recitazione
2013 Recitazione
2011 Recitazione
2010 Recitazione
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