Гретхен Мол родилась в городке Дип Ривер, Коннектикут. Она выросла в свободной творческой обстановке. Её мать талантливая художница, а отец преподает в школе.
Во время учебы в школе Гретхен была одной из самых активных участниц различных сценических постановок и мюзиклов. После окончания школы она поступила в Американскую музыкально-драматическую академию. Так же актриса окончила курса театральной студии Уильямса Эспера.
После получения образования ей некоторое время пришлось поработать на низкооплачиваемых должностях в центре «Angelika Film». Следующим её шагом стало несколько удачных рекламных роликов. Гретхен поразила многих своим оптимизмом и устойчивой жизненной позицией. Благодаря её смелым взглядам на жизнь она получала много интересной и высокооплачиваемой работы.
Свои первые роли Гретхен Мол сыграла в 1996 году в фильмах «Девушка № 6» и «Похороны». В 90-ых её можно увидеть в картинах: «Убрать Картера», «Влечение», «Навеки моя», «Сладкий и гадкий», «Колыбель будет качаться», «Тринадцатый этаж», «Знаменитость», «Отель Новая Роза».
В 2002 году актриса снялась в телесериале «Великолепные Эмберсоны». А в 2003 году Гретхен Мол стала одной из самых ярких актрис Бродвея. В течение года она играла роль Рокси Харт в мюзикле «Чикаго».
После мюзикла «Чикаго» последовали съемки в фильме «Непристойная Бетти Пейдж». Последними работами актрисы стали роли в фильмах: «Десять», «3:10 Поезд на Юму», «Жизнь как катастрофа».
На данный момент Гретхен Мол часто появляется на телевидении. В октябре 2008 года на телеканале ABC стало транслироваться её собственное шоу. Она также сыграла Энни Норрис в телесериале «Жизнь на Марсе», американском римейке британского одноимённого сериала. Он начал транслироваться в США 9 октября 2008 и состоял из 17 эпизодов, закончившись 1 апреля 2009 года.
В июне 2004 года Гретхен Мол вышла замуж за режиссёра Кипа Уильямса (англ. Kip Williams). В сентябре 2007 года родился их первенец, Птолемей Джон Уильямс (англ. Ptolemy John Williams).
Помимо актёрской деятельности Гретхен Мол является членом фонда «PMD». Данная организация занимается исследованием и лечением детей, больных лейкодистрофией Пелицеуса-Мерцбахера.