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.
С 2007 по 2008 год Джемма встречалась с Джоном Ноланом, аниматором, работающим в Лондоне.
Артертон встречалась с дублёром Дэниела Крэйга, с которым познакомилась на съёмках «Кванта милосердия». До этого у неё был роман с Эдуардо Муньосом, который был её тренером по верховой езде во время работы над фильмом «Принц Персии: Пески времени». Однако актриса разошлась с ним, заявив, что на тот момент была не готова к серьёзным отношениям. 5 июня 2010 года она вышла замуж за Стефано Кателли, который является менеджером по продажам. Свадьба состоялась в Андалусии, Испания.
В 2007 году Артертон получила свою первую роль в теледраме Стивена Полиакоффа «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 театре «Глобус» в Лондоне. В том же году стартовала и её кинокарьера: в комедии Оливера Паркера и Барнаби Томпсона «Одноклассницы» актриса получила роль Келли. Затем последовала роль в комедии «Трое на вылет».
Артертон снялась в фильме о Джеймсе Бонде «Квант милосердия», где сыграла персонажа по имени 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 известного режиссёра Гая Ричи «Рок-н-рольщик» и комедийной киноистории Ричарда Кёртиса о ди-джеях британского пиратского радио-шоу 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.