Gemmę i jej młodszą siostrę Hannah Jane wychowywała jedynie matka (Sally-Anne Heap, sprzątaczka). Ojcem Gemmy jest Barry Arterton, spawacz. Rozwiódł się z matką dziewczynki, gdy ta miała 5 lat. Gemma urodziła się z 6-ioma palcami u obu rąk i zgniecionym uchem, które zostało chirurgicznie skorygowane. Studiowała w Royal Academy of Dramatic Art w Londynie. W czasie studiów pracowała jako sprzedawczyni kosmetyków. Pierwszą poważną rolę dostała w "Capturing Mary" Stephen'a Poliakoffa jeszcze na studiach. W walce o rolę w "St Trinian's" pokonała Siennę Miller. Jej ulubioną marką jest Louis Vuitton. Reklamuje kosmetyki Avon. Miała również być twarzą Rimmel, ale kontrakt z Avon na to nie zezwolił. Pokonała 1500 aktorek by dostać rolę w "Quantum of Solace". Miała zagrać Natashę Rushman w "Iron Man 2", ale rolę dostała Scarlett Johansson. 6 czerwca 2010 roku w Hiszpanii poślubiła swojego narzeczonego, manadżera sprzedaży Stefano Catelli.