Gemma Arterton es hija de Sally Heap y de Barry Arterton, una limpiadora y un soldador de origen británico. La joven se graduó en la Royal Academy of Dramatic Arts (RADA) en el año 2007 y poco después perdió a su abuela en circunstancias trágicas, ya que Helen Sarfas murió apuñalada en su casa.

Se la conoce por sus personajes en Rocknrolla, Furia de titanes, Prince of Persia. Las arenas del tiempo o Hansel y Gretel: Cazadores de brujas. Sin embargo, fuera del cine más comercial, Arterton se ha labrado una seria carrera en el cine británico y europeo, en la que destacan títulos como La desaparición de Alice Creed, Tamara Drewe (a las órdenes de Stephen Frears), Byzantium, Una canción para Marion, Primavera en Normandía, Melanie. The Girl with All the Gifts, Su mejor historia, La historia del amor o La búsqueda de la felicidad. Está divorciada del especialista de cine Stefano Catelli, al que conoció en el rodaje de Quantum of solace mientras era chica Bond.