Джемма появилась на свет в простой британской семье: ее отец – сварщик, а мать – уборщица. Джемма Артертон училась в Грейвсендской средней школе для девочек в Пилам-Роуд. С ранних лент посещала курсы сценического мастерства. В возрасте шестнадцати лет Джемма бросила школу и поступила в колледж. Спустя год обучения перешла в Королевскую академию драматического искусства, которую окончила в 2007 году. В том же 2007 году Джемма, будучи еще студенткой, дебютировала в кино с ролью в телефильме Стефена Полякоффа «Capturing Mary» («Поимка Мэри»).
В июле 2007 года актриса впервые вышла на профессиональную сцену, сыграв роль Розалии в пьесе «Бесплодные усилия любви». В декабре 2007 года на экраны вышла комедия Оливера Паркера и Барнеби Томпсона «St. Trinian's» («Одноклассницы»), с Джеммой Артертон в одной из главных ролей.
2008 год стал для молодой актрисы очень успешным. Сначала она снялась в драме Джонатана Гершфилда «Three and Out» («Трое на вылет»), затем в телесериале «Lost in Austen» («Ожившая книга Джейн Остин»), а также в новом фильме о похождениях Джеймса Бонда «Quantum of Solace» («Квант Милосердия») и криминальной комедии Гая Ричи «RocknRolla» («Рок-н-рольщик»).
Фильм Марка Форстера «Квант милосердия» собрал в мировом прокате $586 090 727 при бюджете $200 000 000. После выхода этой ленты на экраны Джемма Артертон стала лицом парфюма Avon «Bond Girl 007».
Популярность актрисы набирала обороты. В 2009 году актриса исполнила роль Дэзире в музыкальной комедии «The Boat That Rocked» («Рок-Волна»). В 2010 году на экраны вышли сразу два блокбастера с участием Джеммы: «Clash of the Titans» («Битва Титанов») и «Prince of Persia: The Sands of Time» («Принц Персии: Пески времени»).
Среди некоммерческих проектов с участием актрисы стоит отметить такие картины, как «Tamara Drewe» («Неотразимая Тамара») и «Disappearance of Alice Creed» («Исчезновение Элис Крид»).
В 2010 году Джемма Артертон сыграла в постановке «The Little Dog Laughed» театра Вест-Энда.
