Gemma Arterton ha esordito nel cinema nel film St. Trinian (2007), una commedia. La sua interpretazione in James Bond Quantum of Solace (2008) le è valso un Empire Award come miglior esordiente: scelta da circa 1.500 candidati, Arterton interpreta la Bond Girl Strawberry Fields. Nello stesso anno, ha interpretato il protagonista omonimo nell’adattamento della BBC di Tess dei d’Urbervilles di Thomas Hardy. Inoltre, nel 2008, ha interpretato Elizabeth Bennet nella serie ITV, Lost in Austen. Il suo ruolo più controverso fino ad oggi è stato nel film del 2009 La scomparsa di Alice Creed, in cui il suo personaggio viene rapito e violentato con diverse scene di nudo.
Al grande pubblico è nota anche per i suoi ruoli nei film di fantasia Scontro tra titani (2010), Prince of Persia: Le sabbie del tempo (2010), Bisanzio (2013) e per il personaggio Gretel in Hansel e Gretel: Witch Hunters del 2013.
