Gemma Christina Arterton nasceu em Gravesend, Kent, Inglaterra, onde foi criada. Ela é filha de Sally-Anne (Heap), uma faxineira, e Barry J. Arterton, um soldador. A prima de sua mãe é o cantor e compositor Eric Goulden.
Seus pais se divorciaram quando ela tinha cinco anos e Gemma posteriormente morou com sua irmã mais nova e sua mãe. Seus pais incentivaram seus filhos a explorar suas habilidades criativas. A irmã de Gemma, Hannah, gostava de cantar, enquanto Gemma escolheu atuar. Durante sua adolescência, ela fez parte das companhias de teatro Masquerade e Miskin, aparecendo em produções de O Massacre de Civitella e Guiding Star. Em 2004, ela ganhou um prêmio de Melhor Atriz Coadjuvante, que a ajudou a ganhar uma bolsa para estudar na Royal Academy of Dramatic Art (RADA).
Enquanto estudava na RADA, ela conseguiu seu primeiro papel profissional em Capturing Mary (2007), dirigido por Stephen Poliakoff e estrelado por Maggie Smith. Gemma se formou na RADA em 2007 e ganhou seu primeiro papel no cinema em St. Trinian's (2007). Seu papel inovador veio em 2008, quando ela apareceu no filme de James Bond Quantum of Solace (2008). Em 2009, ela foi a vencedora do Prêmio de Melhor Iniciante do Império.
