Gemma Arterton è nata il 2 febbraio 1986, figlia di Barry Arterton, un operaio saldatore, e di SallyAnne Heap, una donna delle pulizie. È nata affetta da polidattilia a entrambe le mani, ma le due dita in più le sono state tolte subito dopo la nascita.[1] Quando aveva cinque anni i suoi genitori divorziarono e da allora lei e la sorella, Hannah Jane, sono state cresciute dalla madre. Gemma ha lavorato come commessa in una agenzia di trucco, ma si è avvicinata presto alla recitazione frequentando la Gravesend Grammar School for Girls a Gravesend nel Kent, un corso di arti al Teatro Miskin a Dartford e diplomandosi presso la Royal Academy of Dramatic Art nel 2007, anno in cui ebbe il suo primo ruolo professionale. Fece parlare di sé soprattutto quando la produzione del ventiduesimo film della saga di James Bond annunciò che sarebbe stata la nuova Bond girl, scelta tra 1500 candidate.[2]
Nel 2008 apparve infatti nel film Quantum of Solace, interpretando il ruolo dell'Agente Fields. L'annuncio giunse al termine di un anno comunque importante per lei, dato che recitò in due importanti produzioni: St. Trinian's di Oliver Parker e Barnaby Thompson, dove incontrò la precedente Bond girlCaterina Murino e del quale avrebbe recitato anche il sequel, e RocknRolla di Guy Ritchie. Nello stesso periodo fu il volto di Avon per il 2007. Stava per diventare anche il nuovo volto della Rimmel, ma per problemi contrattuali con Avon ciò non si è verificato.
Nel luglio 2009, ha celebrato il suo fidanzamento a Londra con il consulente di moda Stefano Catelli. I due si sono sposati il 5 giugno 2010 in un castello dell'Andalusia, presso Zuheros.[4] Nel febbraio del 2013 l'attrice ha annunciato la separazione del loro matrimonio, concluso poi nel 2015 con il divorzio. Nel 2013 è stata legata all'assistente alla regia Franklin Ohannessian, conosciuto sul set di The Voices. Nel 2019 ha sposato l'attore Rory Keenan e la coppia ha avuto un figlio nato nel dicembre 2022.
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Gemma Arterton è stata doppiata da:
Federica De Bortoli ne La scomparsa di Alice Creed, Prince of Persia - Le sabbie del tempo, Una canzone per Marion, Gemma Bovery, 100 Streets, L'ora più bella, Giorni d'estate
Domitilla D'Amico[5] in Quantum of Solace, Tamara Drewe - Tradimenti all'inglese, La ragazza che sapeva troppo, Narciso Nero, The King's Man - Le origini, Rapina e fuga[6]
Sara Ferranti in St. Trinian's,St Trinian's 2 - La leggenda del tesoro segreto
^In un'intervista rilasciata a Io Donna il 26 giugno 2010, ha dichiarato: «Sono nata con sei dita per mano e un orecchio "arricciato", ho subito interventi per entrambi i difetti e da piccola ho sofferto per questo, anche se i miei genitori mi raccontano che quando ero nell'incubatrice sembrava che mi mettessi in posa, con le mie sei piccole dita bene in vista.»
^Gemma Arterton Online, su gemma-arterton.net, www.gemma-arterton.net, 7 giugno 2010. URL consultato il 20 ottobre 2017 (archiviato dall'url originale il 20 settembre 2017).