Джемма Артертон родилась в Грейвсенде (Кент, Англия, Великобритания) в семье сварщика и уборщицы. У неё есть младшая сестра — Ханна Джейн Артертон.Обучалась в Грейвсендской средней школе для девочек в Пилам-Роуд и посещала курсы сценического мастерства.
В 16 лет девушка бросила школу и поступила в колледж, но и там пробыла недолго, и, получив грант на обучение, перешла в Королевскую академию драматического искусства, окончив курс в 2007 году.КарьераДжемма Артертон и Джейк Джилленхол 11 мая 2010 года. Фотоколл фильма «Принц Персии: Пески времени» на крыше отеля «Ритц-Карлтон» , МоскваВ 2007 году Артертон получила свою первую роль в теледраме Стивена Полякова «Завоевание Мэри» , когда училась в драматической академии. Позже, в июле, состоялся её дебют на сцене, она сыграла Розалину в шекспировской пьесе «Бесплодные усилия любви» в лондонском театре «Глобус» .
В том же году стартовала и её кинокарьера: в комедии Оливера Паркера и Барнаби Томпсона «Одноклассницы» актриса получила роль Келли, на которую также претендовала Сиенна Миллер. Затем последовала роль в комедии «Трое — на вылет» .Артертон снялась в фильме «Квант милосердия» , где сыграла девушку Джеймса Бонда Строберри Филдс. После релиза фильма, в октябре 2008 года, Джемма Артертон стала лицом нового парфюма Bond Girl 007 от Avon.Также актриса появилась в криминальном фильме режиссёра Гая Ричи «Рок-н-рольщик» и комедии Ричарда Кёртиса о диджеях британского пиратского радиошоу 1960-х «Рок-волна» .
В 2010 году она дебютировала на сцене театра в Вест-Энде в спектакле The Little Dog Laughed по одноимённой пьесе Дугласа Картера Бина.
В том же году стало известно, что Артертон выступит в роли Кэтрин Эрншо в новой экранизации романа Эмили Бронте «Грозовой перевал» , но впоследствии актриса покинула проект.
В 2014 году сыграла главную роль в Вест-эндовском мюзикле «Made in Dagenham» в лондонском театре Adelphi.Личная жизньС 5 июня 2010 года Джемма была замужем за менеджером по продажам британской фэшн-компании Стефано Кателли, с конца 2012 года пара не жила вместе, а в 2015 году состоялся официальный развод.
С 2013 года Джемма встречается с помощником режиссёра Фрэнком Оханессианом.