Гвинет Пэлтроу родилась в Лос-Анджелесе (США, штат Калифорния), в семье кинорежиссёра Брюса Пэлтроу () , потомка хорошо известного раввинского рода Палтрович (Paltrowitch) из России, и известной актрисы Блайт Даннер. Отец Пэлтроу был евреем, её мать принадлежит к квакерам из рода пенсильванских немцев.
Пэлтроу выросла в Санта-Монике, Калифорния. Затем она училась в частной школе для девочек в Нью-Йорке, после чего некоторое время изучала историю искусств в Санта-Монике. Спустя некоторое время она бросила учёбу и посвятила себя актёрскому ремеслу.
У Пэлтроу есть младший брат Джейк и двоюродная сестра, тоже актриса, Кэтрин Мённиг. Троюродная сестра актрисы — Габриэль Гиффордс, член Конгресса США, раненная в голову при покушении на нее в Тусоне (Аризона).
Являясь потомком раввинского рода Палтрович, Пэлтроу говорит, что гордится своей принадлежностью к еврейскому народу.
Её дебютом был фильм Крик, затем она получила небольшую роль в фильме Капитан Крюк Стивена Спилберга, друга их семьи. Позже она исполнила главную роль в фильме Семь с участием Брэда Питта.
Её игра в фильме Эмма была встречена с одобрением. Двумя годами позже она получила «Оскар» в номинации «лучшая женская роль» за роль в фильме Влюблённый Шекспир. Её дальнейшая карьера в кино была успешной благодаря ролям в таких фильмах, как «Доказательство» и «Семейка Тененбаум». В интервью газете The Guardian (27 января 2006 года) Гвинет Пэлтроу признала, что в её карьере есть фильмы, в которые она вложила душу, и низкопробные поделки, в которых она участвовала только из-за денег. Такие фильмы, как «Семейка Тененбаум», «Доказательство» и «Сильвия» она относит к первой категории, в то время, как «Вид сверху лучше» и «Любовь зла» — к последней.
От пристального внимания прессы не ускользнули романтические отношения и помолвка Пэлтроу с Брэдом Питтом, также как и её увлечение Беном Аффлеком. О разрыве с Питтом позже она упоминала с сожалением.
В 1999 и 2000 годах Пэлтроу стала объектом навязчивого преследования человеком по имени Данте Майкл (Dante Michael Siou), который, по сведениям некоторых источников, якобы посылал актрисе от пяти до десяти посылок в неделю, от признаний в любви, цветов и сладостей до религиозных памфлетов и непристойностей. Актриса получала десятки писем еженедельно и более 1200 электронных писем в общей сложности. За этим последовали угроза сексуального характера и неоднократные появления Данте в доме Пэлтроу. Преследования продолжались несмотря на полученное Данте предупреждение от ФБР, после чего он был приговорён к нескольким годам лечения в психиатрической лечебнице.
5 декабря 2003 года Гвинет Пэлтроу вышла замуж за Криса Мартина (Chris Martin), музыканта рок-группы Coldplay. Свадебная церемония прошла в тайне от всех в Южной Калифорнии. 14 мая 2004 года в Лондоне Пэлтроу родила дочь, которой дали имя Эппл (Apple Blythe Alison Martin). Необычное имя дочери (в переводе с англ. Apple означает «Яблоко») во время известного шоу Опры Уинфри Пэлтроу объяснила так: «Это слово звучало мило и звонко и вызывало у меня такие приятные ассоциации!»
Второй ребёнок Пэлтроу, сын, также получивший библейское имя Мозес, то есть Моисей (Moses Bruce Anthony Martin), родился 8 апреля 2006 года в Нью-Йоркском госпитале Mount Sinai Hospital посредством кесарева сечения.
В мае 2005 Пэлтроу признала, что страдает клинической депрессией, вызванной безвременной кончиной её отца Брюса Пэлтроу.
Некоторые источники (например, IMDb) считают днём рождения Пэлтроу 27 сентября, другие (например, TV.com) — 28 сентября.